[논문 리뷰] Dynamical polarization of the fermion parity in a nanowire Josephson junction

Jaap J. Wesdorp, Lukas Grünhaupt외 7명|PubMed|2021. 12. 03.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인듐비소 나노와이어 주사위슨 접합을 LC 공진기 내에 통합하여, 마이크로파에 의해 유도되는 결정론적 동적 페어링 상태의 페르미온 페어링을 구현한다. 맞춤형 마이크로파 펄스를 사용하여, 짝수 페어링 상태에서 최대 94% ± 1%의 극화를 달성하였고, 홀수 상태에서는 89% ± 1%의 극화를 달성하였다. 이는 단일 스타일 페어링 읽기로 검증되었으며, 후처리나 화성 없이도 페어링 선택적 분광법을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Josephson junctions in InAs nanowires proximitized with an Al shell can host gate-tunable Andreev bound states. Depending on the bound state occupation, the fermion parity of the junction can be even or odd. Coherent control of Andreev bound states has recently been achieved within each parity sector, but it is impeded by incoherent parity switches due to excess quasiparticles in the superconducting environment. Here, we show that we can polarize the fermion parity dynamically using microwave pulses by embedding the junction in a superconducting LC resonator. We demonstrate polarization up to 94%±1% (89%±1%) for the even (odd) parity as verified by single shot parity readout. Finally, we apply this scheme to probe the flux-dependent transition spectrum of the even or odd parity sector selectively, without any postprocessing or heralding.

연구 동기 및 목표

• 초과 준입자에 의한 비구속성 페어링 전환이 초래하는 문제를 해결하기 위해.
• 게이트나 플럭스 설정을 변경하지 않고도, 마이크로파 기반의 결정론적 페르미온 페어링 제어를 달성하기 위해.
• 후처리나 화성 없이도 짝수 또는 홀수 페어링 영역에 대한 페어링 선택적 분광법을 가능하게 하기 위해.
• 마이크로파 구동이 전이율을 증가시켜 페어링을 극화시킬 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 주사위슨 접합을 초도전도성 LC 공진기에 통합하여, 분산 읽기 및 마이크로파 제어를 가능하게 한다.
• 두 번째 전송선을 통해 주파수 $ f_{\mathrm{p}} $ 의 마이크로파 펌프 톤을 공급하여, 페어링 상태 간 전이율을 변화시키는 전이를 유도한다.
• 약한 프로브 톤 주파수 $ f_{\mathrm{r}} $ 를 사용하여 단일 스타일 페어링 읽기를 수행하여 실시간 페어링 측정이 가능하다.
• 펌프 톤의 주파수를 자기장 플럭스에 따라 조절하여 다양한 자기장 플럭스 값에서 극화를 최대화한다.
• 이중 상태 전이율 모델을 사용하여, 펌프 톤이 짝수와 홀수 페어링 상태 간 전이율을 한 계단 이상 증가시킨다는 것을 유추한다.
• 후처리나 화성 없이도 결정론적 초기화 이후에 페어링 선택적 분광법을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노와이어 주사위슨 접합에서 마이크로파 구동을 사용하여 안드레예프 고립 상태의 페르미온 페어링을 동적으로 극화시킬 수 있는가?
• RQ2 게이트나 플럭스 조절 없이도 마이크로파 제어만으로 달성 가능한 최대 페어링 극화는 얼마인가?
• RQ3 이 방법을 사용하여 후처리나 화성 없이도 페어링 선택적 분광법을 수행할 수 있는가?
• RQ4 왜 예상되는 쌍 파괴 에너지 이하의 주파수에서 극화 임계값이 관측되는가?
• RQ5 임계 주파수 이하의 마이크로파 주파수에서 관측된 페어링 전이율 증가의 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 저자들은 마이크로파 펌프를 사용하여 짝수 영역에서 최대 94% ± 1%의 페어링 극화, 홀수 영역에서 89% ± 1%의 극화를 달성하였다.
• 단일 스타일 페어링 읽기를 통해 극화가 검증되었으며, 이는 초기화 프로토콜의 신뢰성을 확인한다.
• 이중 상태 전이율 모델을 통해 펌프 톤이 짝수와 홀수 페어링 상태 간 전이율을 한 계단 이상 증가시킨다는 것이 유추되었다.
• 이 방법은 후처리나 화성 없이도 페어링 선택적 분광법을 가능하게 하였으며, 다양한 플럭스 값에서 이를 입증하였다.
• 예상되는 쌍 파괴 임계값 이하의 마이크로파 주파수에서도 극화가 관측되었으며, 이는 혼잡한 스펙트럼과 강한 구동 조건에서의 다중광자 과정을 시사한다.
• 홀수 페어링 초기화에서 잔여 오류율이 짝수 페어링 초기화보다 높은 것은, 펄스 기간 동안 짝수 영역로의 유한한 펌프 속도가 존재하기 때문일 것이다.