[論文レビュー] Spectroscopy of spin-split Andreev levels in a quantum dot with superconducting leads

Arno Bargerbos, Marta Pita‐Vidal+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 65被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超伝導量子ドットジャンクションにおけるスピン分離型アンドレーエフ束縛状態の全電気的制御および分光測定を実証した。ジャンクションをスピン1/2状態にチューニングし、小さな磁場（40 mT未満）を印加することで、2つのフラックス感受性なスピン枝が解明され、異常なジョセフソン効果が観測され、マイクロ波駆動による電気双極子スピン共鳴を介した直接的なスピン反転遷移が実現された。これにより、長寿命で電気的かつ安定した制御が可能なアンドレーエフスピンキュービットの実現への道筋が示された。

ABSTRACT

We use a hybrid superconductor-semiconductor transmon device to perform spectroscopy of a quantum dot Josephson junction tuned to be in a spin-1/2 ground state with an unpaired quasiparticle. Due to spin-orbit coupling, we resolve two flux-sensitive branches in the transmon spectrum, depending on the spin of the quasi-particle. A finite magnetic field shifts the two branches in energy, favoring one spin state and resulting in the anomalous Josephson effect. We demonstrate the excitation of the direct spin-flip transition using all-electrical control. Manipulation and control of the spin-flip transition enable the future implementation of charging energy protected Andreev spin qubits.

研究の動機と目的

• 長寿命の準粒子状態を有する超伝導量子ドットジョセフソン接合におけるスピン状態の全電気的制御を達成すること。
• InAs/Alナノワイヤー素子におけるスピン軌道結合に起因するスピン分離型アンドレーエフ束縛状態を分光的に解明すること。
• 磁場誘起のエネルギー位相関係のシフトを通じて異常ジョセフソン効果を観測すること。
• 電気双極子スピン共鳴（EDSR）を用いてマイクロ波駆動による直接的スピン反転遷移を実現し、より高速かつ簡便なキュービット操作を可能とすること。
• チャージングエネルギー保護型アンドレーエフスピンキュービットのプラットフォームを構築し、フラックスおよび磁場で制御可能な遷移周波数を有すること。

提案手法

• InAs/Alナノワイヤーにおけるジョセフソン接合に埋め込まれたゲートでチューニング可能な量子ドットを有するハイブリッド超伝導半導体トランモンドデバイスをフォーメーションした。
• トランモンド分光測定を用いて、トランモンドと量子ドット接合のエネルギー準位の結合状態を測定し、フラックスおよび磁場依存の遷移周波数を測定した。
• 外部磁場（最大40 mT）を印加してスピン簡併性を解除し、スピン状態間のエネルギー分裂をチューニングすることで、スピン準位の選択的励起を可能にした。
• ボトムゲートにマイクロ波パルスを印加して電気双極子スピン共鳴（EDSR）を駆動し、二重項状態間の直接的スピン反転遷移を励起した。
• 修正された単一インパルティーアンダーソンモデル（SIAM）を用いてシステムをモデル化し、実験データとスピン分離型アンドレーエフ準位および異常ジョセフソン挙動の理論予測を比較した。
• フラックス周期性および周波数シフト測定から有効なLandé g要因（g∥ = 11, g⊥ = 3.8）を抽出し、スピン軌道結合効果を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トランモンド技術を用いて、超伝導量子ドット接合におけるスピン分離型アンドレーエフ束縛状態を分光的に解明できるか？
• RQ2 外部磁場は、スピン分離型アンドレーエフ準位のエネルギー分裂およびフラックス依存性にどのように影響するか？
• RQ3 スピンに依存する最小位相φ₀ ≠ 0, πを特徴とする異常ジョセフソン効果が、この系で観測され、制御可能か？
• RQ4 補助準位を必要としない超伝導ハイブリッドデバイスにおいて、直接的な電気双極子駆動スピン反転遷移が可能か？
• RQ5 磁場およびフラックスによるチューニングを通じて、スピン状態間の遷移周波数をどの程度制御できるか？スケーラブルなキュービット統合に応用可能か？

主な発見

• 電子温度より小さいエネルギー分裂であっても、トランモンドベースの測定感度のおかげで、スピン分離型アンドレーエフ束縛状態が分光的に解明された。
• トランモンドスペクトルに2つの明確なフラックス感受性な枝が観測され、それぞれ二重項のスピンアップおよびスピンダウン状態に対応しており、磁場でエネルギー分裂がチューニング可能であった。
• 40 mT未満の磁場でジョセフソンエネルギー-位相関係に顕著なシフトが観測され、スピンに依存する最小位相φ₀ ≠ 0, πを有する異常ジョセフソン効果が確認された。
• 有効なLandé g要因としてg∥ = 11およびg⊥ = 3.8が抽出され、強いスピン軌道結合および磁場に対するスピンの異方的応答が示された。
• ゲート電圧パルスを用いた電気双極子スピン共鳴（EDSR）により、補助準位を必要としない直接的なマイクロ波駆動スピン反転遷移が実現され、全電気的制御が可能となった。
• スピン1/2基底状態における準粒子寿命は1 msを超えており、大きなチャージングエネルギーが準粒子汚染を抑制していることによるもので、安定なキュービット動作が可能となった。