[논문 리뷰] Evidence for 4e charge of Cooper quartets in a biased multi-terminal graphene-based Josephson junction

Ko-Fan Huang, Yuval Ronen외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 07.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초전도성 플럭스 루프를 갖춘 게이트 조절이 가능한 네단자 그래핀 기반 조지프슨 접합에서 4e 전하 쿠퍼 4중주를 입증한다. 일정 전압을 가했을 때 연구자들은 비단조화적인 임계 전류 진동과 4e 주기성을 가지는 자장 진동을 관측하였으며, 이는 플로케트 밴드에서 랑두-젠저 전이를 통해 얽힌 쿠퍼 4중주 안드레이브 구속 상태 간의 간섭을 확인한다.

ABSTRACT

In a Josephson junction (JJ), Cooper pairs are transported via Andreev bound states (ABSs) between superconductors. The ABSs in the weak link of multi-terminal (MT) JJs can coherently hybridize two Cooper pairs among different superconducting electrodes, resulting in the Cooper quartet (CQ) involving four fermions entanglement. The energy spectrum of these CQ-ABS can be controlled by biasing MT-JJs due to the AC Josephson effect. Here, using gate tunable four-terminal graphene JJs complemented with a flux loop, we construct CQs with a tunable spectrum. The critical quartet supercurrent exhibits magneto-oscillation associated with a charge of 4e; thereby presenting the evidence for interference between entangled CQ-ABS. At a finite bias voltage, we find the DC quartet supercurrent shows non-monotonic bias dependent behavior, attributed to Landau-Zener transitions between different Floquet bands. Our experimental demonstration of coherent non-equilibrium CQ-ABS sets a path for design of artificial topological materials based on MT-JJs.

연구 동기 및 목표

• 다중단자 조지프슨 접합에서 네 전자의 얽힌 상태인 쿠퍼 4중주 존재를 실험적으로 입증하는 것.
• 게이트 조절과 자장 플럭스 제어를 통해 이러한 4중주의 간섭적 비평형 역학을 탐색하는 것.
• 얽힌 쿠퍼 4중주 안드레이브 구속 상태 간 간섭으로 인한 4e 전하 운반의 징후를 규명하는 것.
• 직류 전압을 통한 주기적 드라이브가 4중주 스펙트럼 내에서 플로케트 밴드 간의 랑두-젠저 전이를 유도하는 역할을 조사하는 것.

제안 방법

• 티타늄/알루미늄 초전도성 접촉과 통합된 초전도성 플럭스 루프를 갖춘 그래핀-hBN-SiO2 네단자 조지프슨 접합을 제작하였다.
• 각 접점에서의 화학적 위치와 결합 강도를 게이트 전압 조절을 통해 제어하여 안드레이브 구속 상태 스펙트럼을 설계하였다.
• 직류 전압을 적용하여 시스템을 비평형 상태로 유도하고, 교류 조지프슨 효과를 통해 안드레이브 구속 상태의 주기적 변형을 유도하였다.
• 초전류와 위상 의존성 운반을 탐색하기 위해 차등 전도도(dI/dV)를 편향 전압, 자기장 및 백게이트 전압의 함수로 측정하였다.
• SQUID 유사 기하구조를 사용하여 플럭스 의존성 간섭 무늬를 탐지하였으며, 이는 루프 면적과 4e 전하 징후와 관련이 있었다.
• 플로케트 이론 모델을 사용하여 시간 주기적 밴드의 형성과 랑두-젠저 전이에 의해 발생하는 피하기 피할 만한 교차점의 기초를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중단자 그래핀 조지프슨 접합에서 쿠퍼 4중주 상태가 간섭적으로 인가되고 탐지될 수 있는가?
• RQ2 임계 초전류가 자기장 플럭스에 대해 4e 주기성을 보이며 4중주 쌍성의 증거가 되는가?
• RQ3 직류 전압이 4중주 전류에 미치는 영향은 무엇이며, 관측된 비단조화적 행동에 랑두-젠저 전이가 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 안드레이브-플로케트 밴드 구조는 관측된 전류 진동과 역전 현상에 얼마나 잘 설명되는가?
• RQ5 연결 비대칭성과 플럭스 스레딩 변화에 대해 4e 전하 징후는 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 임계 4중주 초전류는 4e 전하에 해당하는 주기성을 가지는 자장 진동을 보이며, 쿠퍼 4중주 쌍성의 직접적 증거를 제공한다.
• 유한한 편향에서 직류 4중주 초전류는 전압에 따라 비단조화적인 행동을 보이며, 플로케트 밴드 구조 내 피하기 피할 만한 교차점 간의 랑두-젠저 전이를 나타낸다.
• 임계 전류의 최소점은 안드레이브-플로케트 사다리의 반대 방향 전류 흐름을 가진 애디아바틱 상태의 양자 혼합을 확인하는 데 완벽하게 상관되어 있다.
• 공명 위치의 플럭스 의존성은 4e 주기성이 견고하며, 루프를 관통하는 자기장에 의해 조절되며, Φ = 0과 Φ = Φ₀/2 사이에 명확한 위상 이동이 관찰된다.
• 다수준 도트 시스템의 수치 모델링은 연결 비대칭성이 현실적으로 존재하더라도 전류 역전과 4e 주기성이 유지됨을 확인하여 이 효과의 견고함을 입증한다.
• 공명점 근처에서 시스템은 π-접합 특성을 보이며, 강한 2Φ₀/2 주기성 성분을 가지며, 이는 4중주 상태를 포함한 양자 과정의 존재를 시사한다.