[논문 리뷰] Photon-assisted tunneling at the atomic scale: Probing resonant Andreev reflections from Yu-Shiba-Rusinov states

O. Peters, Nils Bogdanoff외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 26.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 50인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초전도체 스캐닝 터널링 현미경에서 광자 보조 터널링을 통해 유-시바-루신로프(YSR) 상태를 공명 안드리에프 반사로 탐측할 때 표준 Tien-Gordon 이론에서 벗어남을 보여준다. 저자들은 이러한 편차를 설명하는 개선된 이론 모델을 개발하여, 옆가지 간격과 스펙트럼 특징이 효과적 전하 및 열역학적 준가역 상태 성질을 어떻게 코딩하는지 밝혀내었으며, 이는 비정상 초전도체와 토폴로지 큐비트를 위한 강력한 원자 척도 탐측 수단을 확립한다.

ABSTRACT

Tunneling across superconducting junctions proceeds by a rich variety of processes, which transfer single electrons, Cooper pairs, or even larger numbers of electrons by multiple Andreev reflections. Photon-assisted tunneling combined with the venerable Tien-Gordon model has long been a powerful tool to identify tunneling processes between superconductors. Here, we probe superconducting tunnel junctions including an impurity-induced Yu-Shiba-Rusinov (YSR) state by exposing a scanning tunneling microscope with a superconducting tip to microwave radiation. We find that a simple Tien-Gordon description describes tunneling of single electrons and Cooper pairs into the bare substrate, but breaks down for tunneling via YSR states by resonant Andreev reflections. We develop an improved theoretical description which is in excellent agreement with the data. Our results establish photon-assisted tunneling as a powerful tool to analyze tunneling processes at the atomic scale which should be particularly informative for unconventional and topological superconductors.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파 구동 광자 보조 터널링을 사용하여 초전도체 접합에서 원자 척도의 터널링 메커니즘을 연구하기 위해.
• 표준 Tien-Gordon 모델이 초전도체 접합에서 유-시바-루신로프(YSR) 상태를 통한 터널링을 정확히 기술하는지 확인하기 위해.
• 공명 안드리에프 반사 존재 시 Tien-Gordon 예측에서 벗어남을 설명하는 보완된 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 고주파 방사선과 미분 도전도 스펙트럼 측정을 통해 준가역 상태의 물리적 성질—예를 들어 효과적 전하와 파동함수 성격—을 추출하기 위해.
• 광자 보조 터널링을 비정상 초전도체 및 토폴로지 큐비트에서의 특이한 준입자 상태를 탐측하는 진단 도구로 정립하기 위해.

제안 방법

• 40 GHz 고주파 마이크로파 조명 하에서 Pb(111) 및 Pb(110) 기질 위에 초전도체 Pb 코팅된 STM 패드를 사용하여 터널링 측정을 수행하였다.
• 접합부 근처에서 효율적인 고주파 안테나 역할을 하는 코axial 케이블을 사용한 고주파 회로 통합을 통해 마이크로파 방사선을 커플링하였다.
• 광자 보조 터널링 과정에서 발생하는 옆가지 구조를 식별하기 위해 dI/dV 및 d²I/dV² 스펙트럼을 측정하였다.
• 단일 전자 터널링과 코플러 쌍 터널링 분석을 위해 Tien-Gordon 모델을 적용하였으며, YSR 상태 터널링에서 편차를 관찰하였다.
• 공명 안드리에프 반사, 완화율(Γ₁, Γ₂), 그리고 쌍파괴 효과(Γ_S)를 포함한 확장된 이론 모델을 개발하였으며, Dynes 매개변수를 가진 수정된 BCS 밀도 상태를 사용하였다.
• 실험적 dI/dV 곡선을 |u|²/ν₀ = 0.21 meV, |v|²/ν₀ = 0.83 meV, Γ₁ = 0.70 μeV, Γ₂ = 0.11 μeV, Γ_S = 20 μeV, 그리고 60 μeV의 기구적 넓이를 포함한 매개변수로 피팅하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유-시바-루신로프(YSR) 상태를 통한 광자 보조 터널링은 표준 Tien-Gordon 모델 예측에서 어떻게 벗어나는가?
• RQ2 광자 보조 터널링에서 옆가지 간격과 스펙트럼 특징으로부터 효과적 전하 및 준가역 상태 성질에 대해 어떤 정보를 추출할 수 있는가?
• RQ3 YSR 상태 존재 시 단일 전자 터널링과 공명 안드리에프 터널링 영역 간의 완화율과 터널링 역학은 어떻게 다를까?
• RQ4 수정된 이론 모델은 순수한 접합과 YSR 상태가 포함된 접합 모두에서 고주파 조명 하에서 실험적 dI/dV 스펙트럼을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ5 접합 도전도는 단일 전자 터널링과 공명 안드리에프 터널링 메커니즘 간의 전이에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• YSR 상태를 통한 광자 보조 터널링은 옆가지 간격과 피크 비대칭성에서 표준 Tien-Gordon 모델과의 명백한 편차를 보였다.
• 공명 안드리에프 반사에서의 효과적 전하 이동은 2e로 확인되었으며, 이는 eV = ±Δ에서 d²I/dV² 스펙트럼에서 ħΩ/2e 간격의 옆가지 간격으로 나타났다.
• 피팅을 통해 |u|²/|v|² = 0.253의 비율을 추출하였으며, 이는 초전도 상태에서 전자 및 구멍 터널링 진폭의 비대칭성을 나타낸다.
• 저도전도 상태에서 터널링 속도는 Γₑ = 4.0 neV 및 Γₕ = 15.8 neV로 계산되었으며, 이는 완화율(Γ₁, Γ₂)보다 느리므로 단일 전자 터널링이 지배적임을 확인한다.
• 고도전도 상태에서 터널링 속도는 Γₑ = 6.2 μeV 및 Γₕ = 24.5 μeV로 증가하여 완화율을 초월하며, 이는 공명 안드리에프 터널링이 지배적임을 시사한다.
• 매개변수 ν₀t_low = 8.1×10⁻⁴ 및 ν₀t_high = 39×8.1×10⁻⁴를 사용한 보완된 모델의 이론적 시뮬레이션은 고주파 조명 하에서 실험적 dI/dV 곡선과 뛰어난 일치를 보였다.