[論文レビュー] Supercurrent parity-meter in a nanowire Cooper-pair transistor

Ji‐Yin Wang, Constantin Schrade+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、InSb-AlハイブリッドナノワイヤCooper対トランジスタ（CPT）において、平行磁場を用いて準位を誘起することで、超電流パリティメーターを実証した。超電流はパリティ依存の位相オフセットを示し、超伝導島の偶数および奇数電荷基底状態を区別できる。これは、準位エネルギーがゼロに近づいても持続するため、トポロジカルキュービットの応用に向けた超電流干渉計によるパリティ読み出しを可能にする。

ABSTRACT

We study a Cooper-pair transistor realized by two Josephson weak links that enclose a superconducting island in an InSb-Al hybrid nanowire. When the nanowire is subject to a magnetic field, isolated subgap levels arise in the superconducting island and, due to the Coulomb blockade,mediate a supercurrent by coherent co-tunneling of Cooper pairs. We show that the supercurrent resulting from such co-tunneling events exhibits, for low to moderate magnetic fields, a phase offset that discriminates even and odd charge ground states on the superconducting island. Notably,this phase offset persists when a subgap state approaches zero energy and, based on theoretical considerations, permits parity measurements of subgap states by supercurrent interferometry. Such supercurrent parity measurements could, in a new series of experiments, provide an alternative approach for manipulating and protecting quantum information stored in the isolated subgap levels of superconducting islands.

研究の動機と目的

• InSb-Alナノワイヤに形成された超伝導島を有するCooper対トランジスタ（CPT）が、磁場をかけた際にJosephson関係にパリティ依存の位相オフセットを示すかどうかを調査すること。
• このような位相オフセットが、準位エネルギーがゼロに近づく場合にも持続するかどうかを特定し、量子情報応用における頑健なパリティ測定を可能にするかを評価すること。
• プラウンガー電圧および磁場を用いた位相オフセットのチューナビリティを調査し、量子情報操作への影響を明らかにすること。
• 超電流干渉計が、超伝導島内の低エネルギー準位のパリティを読み取る有効な手法であることを示すこと。
• ナノワイヤベースのCPTにおける孤立した準位に蓄えられた量子情報を操作・保護するための新しい実験的プラットフォームを提供すること。

提案手法

• 実験では、2つのJosephson弱結合を介して形成された超伝導島を有するInSb-AlハイブリッドナノワイヤCooper対トランジスタ（CPT）を内蔵した超伝導量子干渉計（SQUID）を用いる。
• ナノワイヤに平行に磁場を印加することで、超伝導島内に準位が誘起され、Cooper対の共鳴トンネルによって超電流が媒介される。
• Josephson関係は $ I = (-1)^{n_0} I_c an( heta) imes ext{sign}( ext{Re}[ ext{Tr}(G_{ ext{eff}})]) $ として測定され、ここで $ n_0 $ は電子数パリティであり、位相オフセット $ heta $ はトンネル経路間の干渉に起因する。
• 位相オフセット $ heta $ は、SQUIDの電流-位相関係を測定し、印加磁束 $ heta $ に対してスイッチング電流 $ I_{ ext{sw}} $ を測定することで抽出される。偶数および奇数クーロン谷間で明確な位相差が観測された。
• プラウンガー電圧 $ V_P $ を用いることで、島上の電子数を制御し、磁場 $ B_ ext{parallel} $ を用いることで準位エネルギーと波動関数の重なりを変化させることで、位相オフセットのチューニングが可能である。
• 理論的モデリングにより、スピン軌道結合と磁場の影響により時間反転対称性および鏡対称性が破れ、Josephson関係 $ I = I_c an( heta) imes ext{Re}[ ext{Tr}(G_{ ext{eff}})] $ に非ゼロの $ heta_0 $ が生じることが示唆されている。

Figure 1: (Color online) a , False-color micrograph of the measured NbTiN (green) SQUID device comprising an InSb-Al NW CPT in the right arm and an InSb nanowire reference junction in the left arm. Top gates (L, R, REF) define tunable JJs, and a plunger gate (P) controls the electron number on the S

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノワイヤベースのCooper対トランジスタにおいて、磁場によって準位が誘起された場合、Josephson関係にパリティ依存の位相オフセットが現れるか？
• RQ2 準位エネルギーがゼロに近づく場合でも、このような位相オフセットが持続するか。これは、量子情報応用における頑健性を示唆するか？
• RQ3 プラウンガー電圧および磁場による位相オフセットのチューニングは、どのように行われるか。これにより、準位の混合および結合性に関する情報が得られるか？
• RQ4 超電流干渉計を用いて、孤立した準位を持つ超伝導島の偶数および奇数電荷基底状態を区別できるか？
• RQ5 スピン軌道結合および破れた対称性が、観測された超電流応答における位相オフセットを生成する役割を果たすか？

主な発見

• 超伝導島の偶数および奇数クーロン谷間で、測定可能な位相オフセット $ heta_0 $ が超電流に観測され、パリティ依存のJosephson結合が確認された。
• 最低準位の準位エネルギーがゼロに近づく場合でも、位相オフセットが持続しており、デジェネレシーに強く、トポロジカル領域付近でのパリティ読み出しの可能性を示している。
• プラウンガー電圧 $ V_P $ および磁場 $ B_ ext{parallel ext{}} $ による両方の制御が可能であり、準位の混合およびJosephson結合強度の制御が可能であることが示された。
• 磁場が増加するにつれて位相オフセットが減少し、最低準位とそれ以上の準位との間でエネルギー分裂が増大し、パリティ依存の超電流寄与が抑制されることを示している。
• 観測された位相オフセットは、スピン軌道結合を有する系が磁場下に置かれた場合の理論的予測と整合しており、時間反転対称性および鏡対称性の破れに起因する。
• 島の充電エネルギーは $ 2e $-周期的であり、Coulomb遮断された超伝導島の存在が確認された。一方、超電流は準位占有状態に起因し、$ e $-周期的特徴を示した。

Figure 2: (Color online) a , Differential conductance, $\text{d}I/\text{d}V$ , versus source-drain voltage $V$ and plunger gate voltage $V_{P}$ . At zero parallel magnetic field, the differential conductance shows a Coulomb diamond pattern with a $2e$ -periodicity. At $B_{\parallel}=100\,$ mT, the $