[論文レビュー] Strong nonlocal tuning of the current-phase relation of a quantum dot based Andreev molecule

Mátyás Kocsis, Zoltán Scherübl+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、二重SQUID構成の量子ドットベースのアンドレーエフ分子を提案し、超伝導位相差および静電的ゲート制御を用いて、電流-位相関係（CPR）を強力に非局所的に調整可能にする。共通の側面を持つ二つの超伝導ループに別々に埋め込まれた二つの量子ドットを用いることで、スピン-軌道結合やゼーマン場に依存せずに、調整可能な $0$–$\bar{\tau}$ 遷移と非局所的に制御可能な $\bar{\tau}_0$ 位相シフトを実現。これは、強固な非局所ジャコブソン効果および調整可能な超伝導ダイオード効果を示している。

ABSTRACT

Multiple systems hosting Andreev molecular states have been proposed and studied, consisting of closely spaced Josephson junctions modeled as ballistic channels. We show that replacing the ballistic channels in the weak link of the Josephson junctions with quantum dots (QD), leads to a very exciting, rich phase diagram. It shows a strong nonlocal Josephson effect: as one junction is tuned the current-phase relation of the other junction is modified. This architecture hosts $0 - π$ transitions and shows a tunable anomalous phase-shift $ϕ_0$ , nonlocally controlled in both cases, without relying on spin-orbit interaction or Zeeman fields. In addition significant superconducting diode effect can also be observed. The presented non-local current-phase relation can be used as a signature of the formation of an Andreev molecular state, as well as to introduce new ways to tune quantum architectures.

研究の動機と目的

• アンドレーエフ分子におけるクーロン相互作用の役割を調査するため、二つの量子ドットの静電的および位相差の独立したチューニングを可能にする。
• 一つの量子ドットをチューニングすることで、他方のドットのCPRが変化する非局所ジャコブソン効果を実現し、超電流位相関係を制御可能にする。
• スピン-軌道相互作用やゼーマン場に依存せずに、調整可能な $\.bar{\tau}_0$ 位相シフトと $\.bar{\tau}$-周期的なCPRを実現する。
• 相関的かつ非アーベル的プラットフォームにおいて、非局所的にチューニング可能な超伝導ダイオード効果の出現を探索する。
• 最小限のキタエフ鎖アーキテクチャにおいて、非局所的CPR設計によってアンドレーエフ分子状態の強固なシグネチャーを提供する。

提案手法

• 二つの超伝導ループが共通の側面を持つ二重SQUIDアーキテクチャを設計し、それぞれのループにジャコブソン接合に埋め込まれた量子ドットを配置する。
• 各量子ドットの超伝導位相差を制御するため、独立した磁束（$\varphi_L, \varphi_R$）を印加する。
• サイドゲートを用いて、各量子ドットの局所的エネルギー（$\varepsilon_L, \varepsilon_R$）を独立して静電的にチューニングする。
• 局所的クーロン反発力（$U$）と等しい hopping（$t$）を有する五サイトタイトブンディングモデルを用いて、アンドレーエフ分子状態をシミュレートする。
• CPRのフーリエ分解を実施し、位相および振幅解析のための一次および二次調波成分を抽出する。
• 異なる $\varepsilon_R$ および $\varphi_L$ 条件下でのCPRを分析し、$0$–$\pi$ 遷移、$\varphi_0$ シフト、および調波成分を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンドレーエフ分子内の一つの量子ドットの電流-位相関係（CPR）は、他方のドットのパラメータを調整することによって強く非局所的にチューニング可能か？
• RQ2 クーロン相互作用の存在が、非相互作用モデルでは得られない新しいタイプの非局所ジャコブソン効果を可能にするか？
• RQ3 スピン-軌道結合やゼーマン場に依存せずに、調整可能な $\varphi_0$ 位相シフトを達成可能か？
• RQ4 CPRの高次調波成分（一次および二次）が、$0$–$\pi$ 遷移および $\varphi_0$ 状態を同定する上で果たす役割は何か？
• RQ5 非対称なCPRにより、非局所的にチューニング可能な超伝導ダイオード効果を示すか？

主な発見

• 本系は強い非局所ジャコブソン効果を示す：一つの量子ドットの局所的エネルギー $\varepsilon_R$ をチューニングすることで、直接結合がないにもかかわらず、他方のドットのCPRに顕著な変化が生じる。
• $\varepsilon_R \approx -1U$ のとき、一つのドットのCPRに $\pi$ 位相ジャンプが観測され、フーリエ解析により一次調波成分で確認される。
• $\varepsilon_R$ をチューニングすることで、基底状態遷移がなくとも、$0$ から $\pi$ まで連続的に変化する非局所的 $\varphi_0$ 位相シフトが達成可能である。
• 一次調波成分が消える点と同一の位置で、CPRの二次調波成分が局所的最大値に達し、CPR曲線の非対称性（スキュー）を説明するとともに、特定の領域で $\pi$-周期的挙動を実現する。
• $\varphi_L = 0.8\pi$ のとき、一次調波振幅が $\varphi_0$ 点でもゼロにならないため、$\cos 2\varphi$ キュービットよりも位相ノイズに対して頑健であることが示される。
• 顕著な非局所的チューニング可能な超伝導ダイオード効果が観測され、印加位相バイアスおよびゲート電圧に依存する非対称な電流の流れが見られる。