[논문 리뷰] Phase-dependent Andreev molecules and superconducting gap closing in coherently coupled Josephson junctions

Sadashige Matsuo, Takaya Imoto외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 19.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 공통 초전도체 전극을 공유하는 전기적으로 조절 가능한 평판형 접합을 이용한 터널 스펙트로스코피를 통해, 일관된 결합된 조지프슨 접합에서 단계에 의존하는 아드레프 분자 상태(AMSs)의 형성을 실험적으로 입증한다. 주요 결과는 AMS 형성으로 인한 초전도 갭의 붕괴를 관측한 것으로, 이는 일관된 결합을 확인하고 위상적 초전도성 및 양자 정보 응용 분야에서 제어 가능한 플랫폼에서 AMSs에 대한 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

The Josephson junction (JJ) is an essential element of superconducting (SC) devices for both fundamental and applied physics. The short-range coherent coupling of two adjacent JJs forms the Andreev molecule states (AMSs), which will provide a new ingredient to engineer the SC transport in JJs and control the Andreev qubits. However, no experimental evidence of the AMSs in the coupled JJs has been reported. Here we provide the tunnel spectroscopic results of electrically controllable two planar JJs sharing one SC electrode. We discover that the coupled JJ results are highly modulated from the single JJ results, due to formation of the phase-dependent AMSs, meaning that the two JJs are coherently coupled. In addition, the superconducting gap closing due to the AMS formation is observed. Our results would help in understanding the microscopic mechanism of the coherent coupling and promoting the AMS physics to apply for research of the topological superconductivity and quantum information technology.

연구 동기 및 목표

• 이론적 예측는 있었지만 이전에 확인되지 않은 일관된 결합된 조지프슨 접합(JJs)에서 아드레프 분자 상태(AMSs)를 실험적으로 관측하는 것.
• 다중 접합 시스템에서 단계에 의존하는 결합이 초전도 전도성 특성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 터널 스펙트로스코피를 통해 JJs 간의 일관된 결합의 미세한 메커니즘을 탐색하는 것.
• AMS 형성이 초전도 큐비트 및 위상적 초전도성 설계에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 공통 초전도체 전극을 공유하는 평판형 조지프슨 접합 구조를 통해 AMSs의 전기적 조절 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 일관된 결합을 가능하게 하기 위해 단일 초전도체 전극을 공유하는 전기적으로 조절 가능한 평판형 조지프슨 접합의 제작.
• 터널 전도도의 국소 밀도를 측정하고 아드레프 결속 상태를 탐지하기 위해 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)의 사용.
• 게이트 전압을 적용하여 두 JJs 간의 결합 강도와 위상 차이를 조절함으로써 AMS 형성에 대한 제어를 가능하게 하는 것.
• AMS의 특징과 갭 붕괴를 식별하기 위해 편미분 전도도를 편향 전압과 게이트 전압의 기능으로 측정하는 것.
• 에너지 준위와 전도도 특징의 단계 의존성을 분석하여 분자형 아드레프 상태의 형성을 확인하는 것.
• 일관된 결합의 영향을 분리하기 위해 결합된 JJ 스펙트럼을 단일 JJ 기준 데이터와 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일관된 결합된 조지프슨 접합에서 단계에 의존하는 아드레프 분자 상태를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 아드레프 분자 형성이 결합된 접합에서 초전도 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 위상 일관성과 접합 간 결합이 국소 밀도 상태에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 평판형 조지프슨 접합 구조에서 AMS의 결합 강도와 위상은 전기적으로 조절할 수 있는가?
• RQ5 터널 스펙트로스코피에서 아드레프 분자 형성으로 인한 초전도 갭 붕괴의 특징은 무엇인가?

주요 결과

• 단일 터널 전도도 특징을 통해 일관된 결합된 조지프슨 접합에서 단계에 의존하는 아드레프 분자 상태가 실험적으로 확인되었다.
• 단일 접합과 비교하여 결합된 접합 시스템은 스펙트럼 특징의 강한 변조를 보이며, 이는 일관된 결합과 분자형 아드레프 상태의 형성을 나타낸다.
• 특정 게이트 전압에서 명확한 초전도 갭 붕괴가 관측되었으며, 이는 아드레프 분자의 형성과 초전도 갭의 억제를 시사한다.
• 아드레프 결속 상태의 에너지 분리와 단계 의존성은 결합된 JJs에서의 AMS에 대한 이론 예측과 일치한다.
• 결합 강도의 전기적 조절 가능성이 AMS 에너지 준위와 갭 붕괴의 조작을 가능하게 하여 분자 상태의 조절 가능성을 입증한다.
• 결과는 아드레프 결속 상태를 통한 JJs 간 일관된 결합의 미세한 메커니즘에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다.