[論文レビュー] Zeeman and Orbital Driven Phase Transitions in Planar Josephson Junctions

D. Z. Haxell, M. Coraiola+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 52被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、平面磁場下におけるゲート可変性を有するInAs/Al平型ジョセフソン接合におけるゼーマン効果および軌道効果を調査し、2種類の異なる位相シフトを特定した。タイプA（ゲート可変性、ラシュバスピン軌道結合を介したゼーマン駆動）とタイプB（磁場駆動、軌道起源、サイズ依存性）である。主な発見は、タイプBの位相シフトは、スイッチング電流の最小値および超伝導ギャップの再開を伴い、軌道効果によって支配されており、超伝導リードのサイズに比例することを示した。これにより、トポロジカル位相遷移の兆候におけるスピン軌道、ゼーマン、および軌道効果の相乗的相互作用が明確にされた。

ABSTRACT

We perform supercurrent and tunneling spectroscopy measurements on gate-tunable InAs/Al Josephson junctions (JJs) in an in-plane magnetic field, and report on phase shifts in the current-phase relation measured with respect to an absolute phase reference. The impact of orbital effects is investigated by studying multiple devices with different superconducting lead sizes. At low fields, we observe gate-dependent phase shifts of up to ${φ_{0}=0.5π}$ which are consistent with a Zeeman field coupling to highly-transmissive Andreev bound states via Rashba spin-orbit interaction. A distinct phase shift emerges at larger fields, concomitant with a switching current minimum and the closing and reopening of the superconducting gap. These signatures of an induced phase transition, which might resemble a topological transition, scale with the superconducting lead size, demonstrating the crucial role of orbital effects. Our results elucidate the interplay of Zeeman, spin-orbit and orbital effects in InAs/Al JJs, giving new understanding to phase transitions in hybrid JJs and their applications in quantum computing and superconducting electronics.

研究の動機と目的

• 平面磁場下における平型ジョセフソン接合の位相シフトにおけるゼーマン、スピン軌道、および軌道効果の寄与を解きほぐすこと。
• InAs/Alヘテロ構造における観測された異常な位相シフトと理論的期待値との乖離を解明すること。
• スイッチング電流の最小値およびギャップ再開といった観測された兆候が、トポロジカル遷移に起因するのか、それとも軌道効果に起因するのかを明確にすること。
• 量子計算応用を想定したハイブリッド超伝導体-半導体接合における位相遷移の基本的理解を確立すること。

提案手法

• 異なる超伝導リードサイズを有する平面SQUID構造を用いた、ゲート可変性InAs/Alジョセフソン接合における同時に測定された超電流およびトンネル分光測定。
• 絶対的位相基準を用いた電流-位相関係（CPR）の測定により、異常な位相シフトを検出。
• アンドレーエフ境界状態（ABS）分光測定を用い、位相シフトと準粒子励起スペクトルの相関を分析。
• トップゲート電圧および平面磁場を系統的に変化させ、ゲート依存性（タイプA）および磁場依存性（タイプB）の位相シフト機構を分離。
• 非対称電流分布に起因するフラックスシフトを補正するため、超伝導ループの運動インダクタンスを推定。
• スイッチング電流および微分コンダクタンスの磁場およびゲート依存性を分析し、ギャップ閉じ・再開の兆候を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さな平面磁場下で観測されるInAs/Alジョセフソン接合の異常な位相シフトの原因は何か。また、ゲート電圧にどのように依存するか。
• RQ2 なぜ一部の位相シフトは超伝導リードサイズに比例するが、他のものはそうでないのか。これは物理的起源に何を示唆するか。
• RQ3 軌道効果が、スイッチング電流の最小値および超伝導ギャップ再開といったトポロジカル位相遷移の兆候をどれほど正確に模倣できるか。
• RQ4 ゼーマンおよびスピン軌道結合効果は、電流-位相関係およびアンドレーエフ境界状態スペクトルにどのように現れるか。
• RQ5 超伝導ループ内の運動インダクタンス効果は、CPR測定における内在的位相シフトと区別可能か。

主な発見

• 低磁場域で観測されたタイプAの位相シフトは、平面磁場に線形に依存し、ゲート可変性を示し、ラシュバスピン軌道結合を介したゼーマン結合に起因するとされ、最大トップゲート電圧下で勾配β ≳100 µT/Tを示した。
• これらのタイプAのシフトは超伝導リードサイズに依存せず、トンネル分光測定におけるバルク的アンドレーエフ境界状態位相シフトと強く相関していた。
• 高磁場領域では、明確に分離されたタイプBの位相シフトが出現し、ゲート電圧に依存しないが、超伝導リード長に強く依存しており、軌道起源であると示唆された。
• タイプBの位相シフトは、スイッチング電流の局所的最小値および超伝導ギャップの閉じ・再開を伴い、トポロジカル遷移を模倣していた。
• 運動インダクタンスに起因するフラックスシフトは∆BKin. ≈110 µTと推定され、実験観測と整合的で、トップゲート電圧に依存しなかった。
• 観測された位相シフトおよびギャップダイナミクスは、単一チャネルモデルでは完全に説明できず、接合における複数の横モードの寄与が示唆された。