[논문 리뷰] Strong nonlocal tuning of the current-phase relation of a quantum dot based Andreev molecule

Mátyás Kocsis, Zoltán Scherübl외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 26.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 초전도체 루프가 공통된 변을 공유하는 이중-SQUID 구조를 갖는 양자점 기반 안드레에브 분자를 제안하며, 초전도체 위상 차이와 전기적 게이팅을 통해 전류-위상 관계(CPR)를 강하게 비국소적으로 조절할 수 있다. 두 개의 양자점을 별도의 초전도체 루프에 내장함으로써, 스핀-오비트 결합이나 즈만 필드에 의존하지 않고도 조절 가능한 $0$–$\bar{\tau}$ 전이와 비국소적으로 제어되는 $\bar{\tau}_0$ 위상 이동을 관찰할 수 있으며, 이는 강건한 비국소 조지프슨 효과와 조절 가능한 초전도체 다이오드 효과를 입증한다.

ABSTRACT

Multiple systems hosting Andreev molecular states have been proposed and studied, consisting of closely spaced Josephson junctions modeled as ballistic channels. We show that replacing the ballistic channels in the weak link of the Josephson junctions with quantum dots (QD), leads to a very exciting, rich phase diagram. It shows a strong nonlocal Josephson effect: as one junction is tuned the current-phase relation of the other junction is modified. This architecture hosts $0 - π$ transitions and shows a tunable anomalous phase-shift $ϕ_0$ , nonlocally controlled in both cases, without relying on spin-orbit interaction or Zeeman fields. In addition significant superconducting diode effect can also be observed. The presented non-local current-phase relation can be used as a signature of the formation of an Andreev molecular state, as well as to introduce new ways to tune quantum architectures.

연구 동기 및 목표

• 두 양자점의 전기적 및 위상 조절을 독립적으로 가능하게 하여 쿨롱 상호작용의 역할을 안드레에브 분자에서 연구하기 위해.
• 한 양자점의 조절이 다른 양자점의 CPR를 조절함으로써 초전류 위상 관계를 제어할 수 있는 비국소 조지프슨 효과를 실현하기 위해.
• 스핀-오비트 상호작용이나 즈만 필드에 의존하지 않고도 조절 가능한 $\.bar{\tau}_0$ 위상 이동과 $\.bar{\tau}$-주기적 CPR를 구현하기 위해.
• 상호작용이 강한 비아벨 플랫폼에서 비국소적으로 조절 가능한 초전도체 다이오드 효과의 발생을 탐색하기 위해.
• 최소한의 키타에프 사슬 구조에서 비국소 CPR 설계를 통해 안드레에브 분자 상태의 강건한 서명을 제공하기 위해.

제안 방법

• 공통된 변을 공유하는 두 개의 초전도체 루프를 갖는 이중-SQUID 아키텍처를 설계하여, 각 루프에 조지프슨 접합에 있는 양자점을 포함시킴.
• 각 양자점의 초전도체 위상 차이를 제어하기 위해 독립적인 자기율($\varphi_L, \varphi_R$)을 적용함.
• 측면 게이팅을 통해 각 양자점의 온사이트 에너지($\varepsilon_L, \varepsilon_R$)를 독립적으로 전기적으로 조절함.
• 온사이트 쿨롱 반발력($U$)과 동일한 힘줄($t$)을 갖는 오비트의 다섯 단위로 구성된 타이트버딩 모델을 사용하여 안드레에브 분자 상태를 시뮬레이션함.
• CPR의 푸리에 분해를 수행하여 위상 및 진폭 분석을 위한 첫 번째 및 두 번째 조화 성분을 추출함.
• $\varepsilon_R$와 $\varphi_L$를 변화시키면서 CPR를 분석하여 $0$–$\pi$ 전이, $\varphi_0$ 이동, 조화 성분 기여도를 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안드레에브 분자의 한 양자점의 전류-위상 관계(CPR)가 다른 점의 매개변수 조절을 통해 강하게 비국소적으로 조절될 수 있는가?
• RQ2 쿨롱 상호작용의 존재가 비상호작용 모델에서 확보할 수 없는 새로운 종류의 비국소 조지프슨 효과를 가능하게 하는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합이나 즈만 필드 없이도 조절 가능한 $\varphi_0$ 위상 이동을 달성할 수 있는가?
• RQ4 CPR의 고차 조화 성분(제1 및 제2 조화)이 $0$–$\pi$ 전이와 $\varphi_0$ 상태를 식별하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 비대칭 CPR로 인해 시스템이 비국소적으로 조절 가능한 초전도체 다이오드 효과를 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 강력한 비국소 조지프슨 효과를 나타낸다: 한 양자점의 온사이트 에너지 $\varepsilon_R$를 조절함으로써 직접 결합 없이도 다른 점의 CPR에 측정 가능한 변화를 유도한다.
• $\varepsilon_R \approx -1U$에서 한 점의 CPR에 $\pi$ 위상 점프가 관찰되며, 푸리에 분석을 통해 첫 번째 조화 성분에서 이로 인한 $\pi$ 위상 점프가 확인된다.
• $\varepsilon_R$를 조절함으로써 비국소적으로 $\varphi_0$ 위상 이동을 실현할 수 있으며, $\varepsilon_R$를 조절함에 따라 위상 이동이 $0$에서 $\pi$로 연속적으로 변화한다. 이는 기저 상태 전이 없이도 가능하다.
• 첫 번째 조화 성분이 사라지는 지점에서 CPR의 두 번째 조화 성분이 局부 최댓값에 도달하며, 이는 CPR 곡선의 비대칭성과 특정 영역에서 $\pi$-주기적 행동을 설명한다.
• $\varphi_L = 0.8\pi$일 때, 첫 번째 조화 성분의 진폭이 $\varphi_0$ 지점에서 사라지지 않아, $\cos 2\varphi$ 큐비트에 비해 위상 노이즈에 대해 더 강건함을 나타낸다.
• 중요한 비국소적으로 조절 가능한 초전도체 다이오드 효과가 관찰되었으며, 적용된 위상 편향과 게이트 전압에 따라 비대칭적인 전류 흐름이 발생한다.