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QUICK REVIEW

[논문 리뷰] Supercurrent parity-meter in a nanowire Cooper-pair transistor

Ji‐Yin Wang, Constantin Schrade|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 18.
Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5
한 줄 요약

이 논문은 인듐비소르비드-알루미늄 하이브리드 나노와이어 코플러-페어 트랜지스터(CPT)에서 평행 자기장에 의해 준가속 상태를 유도함으로써 초전류의 페어리티 미터를 구현한다. 초전류는 전자 수 페어리티에 따라 변하는 단위상 오프셋을 나타내며, 초전도체 도시의 짝수 및 홀수 전하 기저 상태를 식별할 수 있고, 준가속 상태가 영 에너지에 가까워지는 경우에도 지속된다. 이는 톱로지컬 큐비트 응용을 위한 초전류 간섭측정을 통한 페어리티 읽기 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

We study a Cooper-pair transistor realized by two Josephson weak links that enclose a superconducting island in an InSb-Al hybrid nanowire. When the nanowire is subject to a magnetic field, isolated subgap levels arise in the superconducting island and, due to the Coulomb blockade,mediate a supercurrent by coherent co-tunneling of Cooper pairs. We show that the supercurrent resulting from such co-tunneling events exhibits, for low to moderate magnetic fields, a phase offset that discriminates even and odd charge ground states on the superconducting island. Notably,this phase offset persists when a subgap state approaches zero energy and, based on theoretical considerations, permits parity measurements of subgap states by supercurrent interferometry. Such supercurrent parity measurements could, in a new series of experiments, provide an alternative approach for manipulating and protecting quantum information stored in the isolated subgap levels of superconducting islands.

연구 동기 및 목표

  • 나노와이어 기반 코플러-페어 트랜지스터(CPT)에서 초전도체 도시가 형성된 상태에서 자기장이 작용할 경우, 조지프슨 관계에 페어리티 의존적인 단위상 오프셋이 나타나는지 조사하는 것.
  • 준가속 상태가 영 에너지에 가까워지는 경우에도 이러한 단위상 오프셋이 지속되는지 확인하여 양자정보 응용에서의 강건성 평가.
  • 플런저 게이트 전압과 자기장에 의한 단위상 오프셋 조절 가능성을 탐색하고, 이로 인한 양자정보 조작에 대한 영향 분석.
  • 초전류 간섭측정이 초전도체 도시의 저에너지 준가속 상태의 페어리티를 읽는 데 실용적인 방법이 될 수 있는지 증명하는 것.
  • 나노와이어 기반 CPT의 고립 준가속 상태에 저장된 양자정보를 조작하고 보호하기 위한 새로운 실험 플랫폼 제공.

제안 방법

  • 실험은 인듐비소르비드-알루미늄 하이브리드 나노와이어 코플러-페어 트랜지스터(CPT)를 포함하는 초전도체 양자 간섭계(SQUID)를 사용하며, 두 개의 조지프슨 약한 연결을 통해 초전도체 도시를 형성한다.
  • 나노와이어에 평행하게 가해진 자기장은 초전도체 도시 내 준가속 상태를 유도하며, 이는 코플러 쌍의 협동 터널링을 통해 초전류를 매개한다.
  • 조지프슨 관계는 $ I = (-1)^{n_0} I_c an( heta) imes ext{sign}( ext{Re}[ ext{Tr}(G_{ ext{eff}})]) $ 로 측정되며, 여기서 $ n_0 $ 은 전자 수 페어리티이고, 단위상 오프셋 $ heta $ 는 터널링 경로 간 간섭에서 기인한다.
  • 단위상 오프셋 $ heta $ 는 외부 플럭스 $ heta $ 를 변화시키며 스위칭 전류 $ I_{ ext{sw}} $ 를 측정함으로써 SQUID의 전류-단위상 관계에서 추출되며, 짝수 및 홀수 쿨롱 골짜이 간에 명확한 단위상 이동이 관측된다.
  • 플런저 게이트 전압 $ V_P $ 와 자기장 $ B_ ext{parallel} $ 을 통해 단위상 오프셋의 조절이 가능하며, 이는 도시의 전자 수를 제어하고 준가속 상태 에너지 및 파동함수 겹침을 조절함으로써 이루어진다.
  • 이론적 모델링은 스핀-오비트 결합과 자기장으로 인해 시간역전 대칭성과 거울 대칭성이 깨지면서 조지프슨 관계 $ I = I_c an( heta) imes ext{Re}[ ext{Tr}(G_{ ext{eff}})] $ 에서 비제로인 $ heta_0 $ 가 발생함을 지지한다.
Figure 1: (Color online) a , False-color micrograph of the measured NbTiN (green) SQUID device comprising an InSb-Al NW CPT in the right arm and an InSb nanowire reference junction in the left arm. Top gates (L, R, REF) define tunable JJs, and a plunger gate (P) controls the electron number on the S
Figure 1: (Color online) a , False-color micrograph of the measured NbTiN (green) SQUID device comprising an InSb-Al NW CPT in the right arm and an InSb nanowire reference junction in the left arm. Top gates (L, R, REF) define tunable JJs, and a plunger gate (P) controls the electron number on the S

실험 결과

연구 질문

  • RQ1자기장에 의해 준가속 상태가 유도된 나노와이어 기반 코플러-페어 트랜지스터의 조지프슨 관계에서 페어리티 의존적인 단위상 오프셋이 나타나는가?
  • RQ2준가속 상태가 영 에너지에 가까워지는 경우에도 이러한 단위상 오프셋이 지속되는가? 이는 양자정보 응용에서의 강건성을 시사하는가?
  • RQ3플런저 게이트 전압과 자기장에 의해 단위상 오프셋이 어떻게 조절되는가? 이는 준가속 상태의 하이브리드화 및 결합 강도에 대한 통찰을 제공하는가?
  • RQ4초전류 간섭측정을 통해 초전도체 도시의 고립된 준가속 수준이 있는 짝수 및 홀수 전하 기저 상태를 구분할 수 있는가?
  • RQ5스핀-오비트 결합과 깨진 대칭성이 초전류 응답에서 관측된 단위상 오프셋을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

  • 초전도체 도시의 짝수 및 홀수 쿨롱 골짜이 간에 측정 가능한 단위상 오프셋 $ heta_0 $ 가 관측되어, 페어리티 의존적인 조지프슨 결합이 확인되었다.
  • 최저 에너지 준가속 상태가 영 에너지에 가까워지는 경우에도 단위상 오프셋이 지속됨을 확인하여, 수준의 디세너지에 대한 강건성과 톱로지컬 영역 근처에서의 페어리티 읽기 가능성을 시사한다.
  • 플런저 게이트 전압 $ V_P $ 와 자기장 $ B_ ext{parallel} $ 에 의해 단위상 오프셋이 조절 가능하며, 이는 준가속 상태의 하이브리드화 및 조지프슨 결합 강도 제어 가능성을 보여준다.
  • 자기장이 증가함에 따라 단위상 오프셋이 감소함을 관측하여, 최저 준가속 상태와 높은 준가속 상태 사이의 에너지 간격 증가로 인해 페어리티 의존적 초전류 기여가 억제됨을 확인하였다.
  • 관측된 단위상 오프셋은 스핀-오비트 결합이 있는 시스템에서 자기장이 작용할 경우 이론적으로 예측된 바와 일치하며, 시간역전 대칭성과 거울 대칭성이 깨지면서 발생한다.
  • 도시의 경우 $ 2e $-주기적 충전 에너지를 나타내어, 쿨롱 차단 초전도체 도시의 존재를 확인하였으며, 초전류는 준가속 상태의 점유에 의해 $ e $-주기적 특성을 보였다.
Figure 2: (Color online) a , Differential conductance, $\text{d}I/\text{d}V$ , versus source-drain voltage $V$ and plunger gate voltage $V_{P}$ . At zero parallel magnetic field, the differential conductance shows a Coulomb diamond pattern with a $2e$ -periodicity. At $B_{\parallel}=100\,$ mT, the $
Figure 2: (Color online) a , Differential conductance, $\text{d}I/\text{d}V$ , versus source-drain voltage $V$ and plunger gate voltage $V_{P}$ . At zero parallel magnetic field, the differential conductance shows a Coulomb diamond pattern with a $2e$ -periodicity. At $B_{\parallel}=100\,$ mT, the $

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