[논문 리뷰] Microwave spectroscopy of interacting Andreev spins

Jaap J. Wesdorp, F. J. Matute-Cañadas외 14명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 23.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1 T 이하의 자기장에서 플럭스 조절 가능한 초전도 회로를 사용하여 InAs/Al 나노와이어 주사위 조합에서 상호작용하는 안드레에프 고립 상태의 마이크로파 스펙트로스코피를 수행한다. 자기장 의존적인 피하기 회피 교차를 통해 스핀 분류된 삼중자 안드레에프 상태를 식별하고, 직접적인 자기장 유도 스핀 전환 전이를 관측하며, 0.7π까지 가변적인 이상 위상 이lique를 측정하여 하이브리드 나노와이어 시스템에서의 핵심 스핀 삼중자 물리 및 초전류를 규명한다.

ABSTRACT

Andreev bound states are fermionic states localized in weak links between superconductors which can be occupied with spinful quasiparticles. Microwave experiments using superconducting circuits with InAs/Al nanowire Josephson junctions have recently enabled probing and coherent manipulation of Andreev states but have remained limited to zero or small fields. Here we use a flux-tunable superconducting circuit in external magnetic fields up to 1T to perform spectroscopy of spin-polarized Andreev states up to ~250 mT, beyond which the spectrum becomes gapless. We identify singlet and triplet states of two quasiparticles occupying different Andreev states through their dispersion in magnetic field. These states are split by exchange interaction and couple via spin-orbit coupling, analogously to two-electron states in quantum dots. We also show that the magnetic field allows to drive a direct spin-flip transition of a single quasiparticle trapped in the junction. Finally, we measure a gate- and field-dependent anomalous phase shift of the Andreev spectrum, of magnitude up to approximately $0.7π$. Our observations demonstrate new ways to manipulate Andreev states in a magnetic field and reveal spin-polarized triplet states that carry supercurrent.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 조건에서 하이브리드 나노와이어 주사위 조합의 스핀 분해 다체 스펙트럼을 탐사하기 위해.
• 안드레에프 스펙트럼에서 스핀 삼중자 쌍화 및 교환 상호작용의 징후를 식별하기 위해.
• 초전도 회로 플랫폼을 통해 고립된 단일 준입자 스핀 전환 전이에 대한 직접적인 자기장 제어를 구현하기 위해.
• 가변 게이트 및 자기장 의존적인 이상 위상 이lique를 측정하고 분석하기 위해.

제안 방법

• 고에너지 해상도 마이크로파 스펙트로스코피를 실현하기 위해 InAs/Al 나노와이어 주사위 조합을 갖춘 플럭스 조절 가능한 초전도 회로를 사용하였다.
• 제임스 스피리팅을 조절하고 스핀 의존성 안드레에프 상태를 탐사하기 위해 최대 1 T의 외부 자기장을 적용하였다.
• 개별 안드레에프 준위와 그들의 자기장 분산을 해상하기 위해 마이크로파 흡수 스펙트로스코피를 사용하였다.
• 상호작용을 포함하지 않은 타이트버레인 시뮬레이션을 수행하고, 스핀 오비트 결합, 제임스 효과 및 전자-전자 교환 상호작용을 포함한 최소 모델을 개발하였다.
• 스펙트럼을 분석하여 삼중자-단일자 피하기 회피 교차를 식별하고 이상 위상 이lique를 추출하였다.
• 짝수-홀수 대칭성 선택 측정을 통해 짝수 및 홀수 대칭 안드레에프 상태를 구별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 오비트 결합과 전자-전자 상호작용은 안드레에프 고립 상태의 자기장 의존성에 어떻게 나타나는가?
• RQ2 InAs/Al 나노와이어 주사위 조합에서 스핀 삼중자 쌍화의 존재를 나타내는 마이크로파 스펙트럼의 징후는 무엇인가?
• RQ3 고립된 단일 준입자가 안드레에프 상태에 갇혀 있을 때, 외부 자기장에 의해 직접적인 스핀 전환 전이가 유도될 수 있는가?
• RQ4 고자기장 조건에서 안드레에프 스펙트럼에서 관측된 가변 게이트 이상 위상 이lique의 기원과 크기는 무엇인가?
• RQ5 안드레에프 상태 간의 상호작용은 어떻게 단일자와 삼중자 상태 간의 혼합을 유도하는가?

주요 결과

• 마이크로파 스펙트럼은 스핀 오비트 결합과 교환 상호작용으로 인해 스핀 단일자와 스핀 삼중자 상태 간의 혼합을 나타내는 명확한 삼중자-단일자 피하기 회피 교차를 보여주었다.
• 스핀 분류된 삼중자 안드레에프 상태는 그들 고유의 자기장 분산을 통해 식별되었으며, 이는 접합부에서의 교환 상호작용과 일치하는 분리 크기를 보였다.
• 단일 준입자의 직접적인 자기장 유도 스핀 전환 전이가 관측되었으며, 이는 두 번째 고립 상태가 필요 없이 단일 안드레에프 상태의 스핀을 제어할 수 있음을 의미한다.
• 최대 약 0.7π까지의 이상 위상 이lique가 측정되었으며, 이는 가변 게이트에 의해 제어 가능하며 고자기장 조건에서 다체 안드레에프 스펙트럼의 결과로 기인된 것으로 추정된다.
• ~250 mT 이상에서 스펙트럼가 비가역적으로 변하며, 초전도 상태 또는 위상적으로 다른 상태로의 전이를 나타낸다.
• 결과는 스핀 오비트 결합과 전자-전자 상호작용이 하이브리드 나노와이어 조합의 다체 안드레에프 스펙트럼을 이해하는 데 필수적임을 확인한다.