[논문 리뷰] Phase-engineering the Andreev band structure of a three-terminal Josephson junction

M. Coraiola, D. Z. Haxell외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 63인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 InAs/Al 이종구조에서 터널 분광법을 이용하여 삼단 조지프슨 접합에서 안드레이에프 결합 상태의 위상 공학적 제어를 구현한다. 자속 보상선을 통해 두 개의 초전도 위상 차이를 독립적으로 조절함으로써, 두 개의 이산 안드레이에프 준위 간의 혼성화를 관찰하였으며, 2차원 위상 공간에서 피하기적 교차와 이방성 밴드 구조가 이를 뒷받침한다. 이는 수치 모델에 의해 검증되었다. 본 연구는 다중단 하이브리드 나노구조에서 합성 안드레이에프 물질 및 토폴로지 상태를 공학적으로 설계할 수 있는 플랫폼을 구축한다.

ABSTRACT

In hybrid Josephson junctions with three or more superconducting terminals coupled to a semiconducting region, Andreev bound states may form unconventional energy band structures, or Andreev matter, which are engineered by controlling superconducting phase differences. Here we report tunnelling spectroscopy measurements of three-terminal Josephson junctions realised in an InAs/Al heterostructure. The three terminals are connected to form two loops, enabling independent control over two phase differences and access to a synthetic Andreev band structure in the two-dimensional phase space. Our results demonstrate a phase-controlled Andreev molecule, originating from two discrete Andreev levels that spatially overlap and hybridise. Signatures of hybridisation are observed in the form of avoided crossings in the spectrum and band structure anisotropies in the phase space, all explained by a numerical model. Future extensions of this work could focus on addressing spin-resolved energy levels, ground state fermion parity transitions and Weyl bands in multiterminal geometries.

연구 동기 및 목표

• InAs/Al 이종구조에서 두 초전도 위상 차이를 독립적으로 제어할 수 있는 위상 제어 가능한 삼단 조지프슨 접합(3TJJ)을 실현하고, 이를 탐측하는 것.
• 공간적 겹침과 결합을 통해 형성된 하이브리드 안드레이에프 결합 상태—'안드레이에프 분자'로 불리는 것—을 연구하는 것.
• 위상 공간에서의 이중 안드레이에프 밴드 구조를 매핑하고, 피하기적 교차와 이방성 분산과 같은 혼성화의 징후를 식별하는 것.
• 두 개의 초전도 리드에 연결된 쌍극자 양자점으로 구성된 이론적 모델을 기반으로 한 실험 관측을 검증하는 것. 이 모델은 조절 가능한 위상 차이를 가진다.
• 다중단 기하학에서 스핀 분해 수준, 페르미온 페어링 전이 및 와일-유사 밴드 구조를 향한 향후 탐색의 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 선택적 Al 에칭을 통해 세 개의 초전도 단자(L, M, R)를 정의하고 공통 노드 D를 통해 연결함으로써 InAs/Al 이종구조에서 삼단 조지프슨 접합을 제작함. 이는 두 개의 닫힌 초전도 루프를 형성한다.
• 자속 보상선을 사용하여 전류(IL, IR)를 주입함으로써 외부 자기장 스트림(ΦL, ΦR)을 생성하고, 이는 두 위상 차이 ϕL 및 ϕR를 독립적으로 제어할 수 있도록 한다.
• 초전도 탐측 리드(S)를 사용하여 DC 터널 분광법을 수행하고, 편향 전압(VSD)과 위상 차이(ΦL, ΦR)에 대한 미분 도전도(G)를 측정한다.
• 게이트 전압 VSwitch를 통해 전자기적으로 삼단(ON)과 이단(OFF) 구성을 전환할 수 있는 스위치 접합을 도입함으로써 비교 연구를 가능하게 한다.
• 두 개의 결합된 양자점(QDs)을 기반으로 한 수치 모델을 적용함. 이는 각각 두 개의 초전도 리드(ϕL, ϕR, ϕM)에 연결된 안드레이에프 준위를 나타내며, 조절 가능한 혼성화(t)와 전도도(Γ)를 가진다.
• 식 13과 14를 사용하여 전류-자속 재매핑을 수행함으로써 측정된 전류 주입(IL, IR)을 효과적인 위상 차이(ΦL, ΦR)로 변환하고, 정확한 위상 공간 매핑을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼단 조지프슨 접합에서 안드레이에프 결합 상태는 위상 공학을 통해 혼성화될 수 있는가? 그리고 2차원 위상 공간에서 어떤 징후가 나타나는가?
• RQ2 위상 공간에서의 피하기적 교차와 밴드 구조의 이방성은 두 개의 이산 안드레이에프 준위 간 혼성화를 어떻게 반영하는가?
• RQ3 관측된 밴드 구조는 합성 2차원 위상 공간에서 결합된 안드레이에프 준위에 기반한 이론적 모델로 어느 정도 설명될 수 있는가?
• RQ4 두 루프 간의 조지프슨 유사 상호유도 결합은 위상 의존성 공명을 어떻게 이동시키는가?
• RQ5 이 시스템은 조절 가능한 토폴로지 또는 비자명한 페르미온 성질을 가진 합성 안드레이에프 물질을 공학적으로 설계하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 터널 분광법을 통해 3TJJ에서 두 개의 구분되는 안드레이에프 결합 상태를 관찰하였으며, 각 상태는 두 위상 차이(ϕL 및 ϕR) 중 하나에 따라 분산되어 위상 공간에서 2차원 밴드 구조를 형성하였다.
• 미분 도전도 맵에서 피하기적 교차가 관측되었으며, 이는 공간적 겹침이 있는 두 안드레이에프 준위 간의 수준 반발과 혼성화를 나타낸다.
• 밴드 구조는 이방성 분산을 보였으며, 스위치 접합의 상태에 따라 공명선의 기울기가 변화하여 두 루프 간의 유한한 조지프슨 유사 상호유도 결합이 확인되었다.
• 접합 상태를 전환했을 때, ΔΦL ≈ 0.3Φ0 및 ΔΦR ≈ 0.2Φ0의 위상 이동이 측정되었으며, 이는 유한한 상호유도와 플럭스 양자화와 일치한다.
• 실험 데이터는 조절 가능한 혼성화(t ≈ 0.01Δ)와 유한한 정규 반사 진폭을 가진 이중 준위 양자점 모델의 수치 시뮬레이션과 잘 일치하였다.
• 이 시스템은 두 개의 이산 안드레이에프 준위 간의 혼성화로 인해 형성되는 합성 밴드 구조를 갖는 위상 제어 가능한 안드레이에프 분자를 실현하였으며, 이는 이단 접합에서는 달성할 수 없는 것이다.