[논문 리뷰] Spin-Degeneracy Breaking and Parity Transitions in Three-Terminal Josephson Junctions

Marco Coraiola, D. Z. Haxell외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 외부 자기장이나 큰 충전 에너지를 사용하지 않고 초전도 위상차를 통해 안드레에프 고립 상태(ABSs)를 조절함으로써 삼단 조지프슨 접합(3TJJ)에서 스핀 디세너지 붕괴와 페어리티 전이를 입증한다. 스핀 분리가 9 GHz 이상을 초과하며, 기저 상태 페어리티 전이와 연결된 영에너지 교차점이 관측되어 하이브리드 양자 장치에서 스핀과 페어리티 자유도를 실시간으로 공학할 수 있다.

ABSTRACT

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연구 동기 및 목표

• 다중단 하이브리드 조지프슨 접합에서 스핀과 페르미온 페어리티 자유도를 제어하는 것을 목적으로 한다.
• 외부 자기장이나 상당한 충전 에너지를 사용하지 않고 스핀 디세너지 붕괴와 페어리티 전이를 달성하는 것을 목적으로 한다.
• 스핀-오비트 결합이 있는 평판형 3TJJ에서 초전도 위상차를 통해 안드레에프 고립 상태를 실시간으로 조절하는 것을 목적으로 한다.
• 이중 차원 ABS 밴드 구조에서 위상 조절에 의한 스핀 분리와 페어리티 전이에 대한 실험적 증거를 제공하는 것

제안 방법

• 스핀-오비트 결합이 있는 위상 제어 하이브리드 삼단 조지프슨 접합(3TJJ)에서 안드레에프 고립 상태(ABSs)의 분광학적 탐측.
• 통합된 플럭스-비어 라인을 사용하여 초전도 위상차 φL 및 φR를 완전히 제어.
• 자기장에 대한 전도도 분포를 측정함으로써 ABSs의 에너지 분산을 초전도 탐측자와 함께 맵핑.
• 영에너지 ABS 교차점(페어리티 전이)이 허용되는 단계 공간 영역을 식별하기 위해 이산 비틀림 조건 적용.
• 관측된 수준 분리의 스핀 성격을 확인하기 위해 자기장 의존 측정 수행.
• 더 큰 산란 영역을 가진 두 번째 장치에서 재현성 테스트를 수행하여 결과의 일반성을 검증.

Figure 1: (a) Schematic representation of a hybrid three-terminal Josephson junction (3TJJ). Three superconducting leads with phases $\phi_{\mathrm{L}}$ , $\phi_{\mathrm{R}}$ and $\phi_{\mathrm{M}}\equiv 0$ are coupled to a common scattering region $\mathcal{S}$ . (b) Geometric illustration of the d

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이나 페로자성 물질을 사용하지 않고 3TJJ에서 스핀 디세너지를 붕괴시킬 수 있는가?
• RQ2 다중단 조지프슨 접합에서 초전도 위상차를 통해 기저 상태 페어리티 전이를 조절할 수 있는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합이 있는 단거리 접합 3TJJ에서 위상 제어를 통해 달성 가능한 스핀 분리의 크기는 얼마인가?
• RQ4 안드레에프 고립 상태의 이중 차원 밴드 구조는 위상 조절에 따라 어떻게 변화하며, 영에너지 교차점은 어디에 발생하는가?
• RQ5 하이브리드 3TJJ에서 스핀과 페어리티를 얼마나 독립적으로 실시간으로 공학할 수 있는가?

주요 결과

• 외부 자기장 없이도 9 GHz 이상(40 μeV)을 초월하는 수준 분리를 관측하여 강한 스핀 분리를 입증.
• 안드레에프 고립 상태 스펙트럼에서 영에너지 교차점이 확인되었으며, 이는 기저 상태 페어리티 전이와 일치.
• 이산 비틀림 조건은 페어리티 전이가 허용되는 단계 공간 영역을 정확하게 예측하였으며, 영에너지에서 전도도 공진으로 표시됨.
• 관측된 스핀 분리와 페어리티 전이는 초전도 위상차를 통해 실시간으로 조절 가능했으며, 큰 충전 에너지가 필요하지 않았다.
• 자기장 의존 측정을 통해 수준 분리의 스핀 성격을 확인하여 궤도적 또는 기타 비스핀 기원을 배제.
• 더 큰 산란 영역(300 nm 지름)을 가진 두 번째 장치에서 결과의 재현성 확보로 관측 현상의 일반성을 뒷받침.

Figure 2: (a) False-colored scanning electron micrograph of a device identical to that under study. Selective removal of Al (blue) exposes the III–V semiconductor below (pink), before being uniformly covered by a dielectric layer (not visible). Gates (yellow) and flux-bias lines (purple) are pattern