[論文レビュー] Spin-Degeneracy Breaking and Parity Transitions in Three-Terminal Josephson Junctions

Marco Coraiola, D. Z. Haxell+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、外部磁場や大きなチャージングエネルギーを用いずに、超伝導位相差を用いてアンドレエフ局在状態（ABSs）をチューニングすることで、三端子ジャンクション（3TJJ）におけるスピン簡並性の破れとパリティ遷移を実証した。スピン分裂は9 GHzを超えるものであり、基底状態のフェルミオンパリティ遷移と関連するゼロエネルギー交差が観測され、ハイブリッド量子デバイスにおけるスピンおよびパリティ自由度のイン・サイト制御が可能になった。

ABSTRACT

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研究の動機と目的

• マルチターミナルハイブリッドヨセフソンジャンクションにおけるスピンおよびフェルミオンパリティ自由度の制御を実証すること。
• 外部磁場や顕著なチャージングエネルギーを用いずに、スピン簡並性の解除とパリティ遷移を達成すること。
• スピン・オービット結合を有する平面状3TJJにおいて、超伝導位相差を用いてアンドレエフ局在状態をイン・サイトでチューニングすること。
• 2次元のABSバンド構造における位相差チューニングによるスピン分裂およびパリティ遷移の実験的証明を提供すること。

提案手法

• スピン・オービット結合を有する位相差制御ハイブリッド三端子ヨセフソンジャンクション（3TJJ）におけるアンドレエフ局在状態（ABSs）の分光的プローブ。
• 統合されたフラックスバイアスラインを用いて、超伝導位相差φLおよびφRを完全に制御。
• 磁場フラックス関数としてのトンネル分光法を用い、ABSのエネルギー分散を測定。
• ゼロエネルギーABS交差（パリティ遷移を許す）が許される位相空間領域を特定するために、離散的ヴォルテックス条件を適用。
• スピン性の確認のため、磁場依存測定を実施。
• より大きな散乱領域（300 nm直径）を有する第二のデバイスを用いた再現性テストにより、結果の一般性を検証。

Figure 1: (a) Schematic representation of a hybrid three-terminal Josephson junction (3TJJ). Three superconducting leads with phases $\phi_{\mathrm{L}}$ , $\phi_{\mathrm{R}}$ and $\phi_{\mathrm{M}}\equiv 0$ are coupled to a common scattering region $\mathcal{S}$ . (b) Geometric illustration of the d

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場やフェリオ磁性体を用いずに、3TJJにおけるスピン簡並性を解除できるか？
• RQ2 マルチターミナルヨセフソンジャンクションにおいて、超伝導位相差を用いて基底状態のフェルミオンパリティ遷移をチューニングできるか？
• RQ3 スピン・オービット結合を有するショート・ジャンクション3TJJにおいて、位相差制御によるスピン分裂の大きさはどの程度か？
• RQ4 アンドレエフ局在状態の2次元バンド構造は、位相差チューニングによってどのように変化するか？ゼロエネルギー交差はどこに現れるか？
• RQ5 ハイブリッド3TJJにおいて、スピンおよびパリティをどれほど独立して、かつイン・サイトで設計可能か？

主な発見

• 外部磁場を用いずに、9 GHz（40 μeV）を超えるレベル分裂が観測され、強いスピン分裂が実証された。
• アンドレエフ局在状態スペクトルにおけるゼロエネルギー交差が同定され、基底状態フェルミオンパリティ遷移と整合的であった。
• 離散的ヴォルテックス条件は、パリティ遷移が許される位相空間領域を正確に予測しており、ゼロエネルギーでの伝導度共鳴によって特徴づけられた。
• 観測されたスピン分裂およびパリティ遷移は、大きなチャージングエネルギーを要せず、超伝導位相差によるイン・サイトチューニングが可能であった。
• 磁場依存測定により、レベル分裂のスピン性が確認され、軌道的またはその他の非スピン的起源は排除された。
• より大きな散乱領域（300 nm直径）を有する第二のデバイスでも結果が再現されたため、観測現象の一般性が支持された。

Figure 2: (a) False-colored scanning electron micrograph of a device identical to that under study. Selective removal of Al (blue) exposes the III–V semiconductor below (pink), before being uniformly covered by a dielectric layer (not visible). Gates (yellow) and flux-bias lines (purple) are pattern