[论文解读] Evidence for 4e charge of Cooper quartets in a biased multi-terminal graphene-based Josephson junction

Ko-Fan Huang, Yuval Ronen+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本研究通过门控可调、四端口石墨烯基约瑟夫森结与超导通量环，提供了4e电荷库珀四聚体存在的实验证据。通过施加直流偏置电压，研究人员观测到临界电流的非单调振荡及具有4e周期性的磁振荡，证实了通过弗洛凯能带中兰道-津泽尔跃迁，纠缠的库珀四聚体Andreev束缚态之间发生相干干涉。

ABSTRACT

In a Josephson junction (JJ), Cooper pairs are transported via Andreev bound states (ABSs) between superconductors. The ABSs in the weak link of multi-terminal (MT) JJs can coherently hybridize two Cooper pairs among different superconducting electrodes, resulting in the Cooper quartet (CQ) involving four fermions entanglement. The energy spectrum of these CQ-ABS can be controlled by biasing MT-JJs due to the AC Josephson effect. Here, using gate tunable four-terminal graphene JJs complemented with a flux loop, we construct CQs with a tunable spectrum. The critical quartet supercurrent exhibits magneto-oscillation associated with a charge of 4e; thereby presenting the evidence for interference between entangled CQ-ABS. At a finite bias voltage, we find the DC quartet supercurrent shows non-monotonic bias dependent behavior, attributed to Landau-Zener transitions between different Floquet bands. Our experimental demonstration of coherent non-equilibrium CQ-ABS sets a path for design of artificial topological materials based on MT-JJs.

研究动机与目标

• 通过实验演示多端口约瑟夫森结中四电子纠缠态——库珀四聚体的存在。
• 利用门控调节与磁通控制，探测这些四聚体的相干非平衡动力学。
• 识别由纠缠库珀四聚体Andreev束缚态之间干涉引起的4e电荷输运特征。
• 研究周期性驱动（通过直流偏置）在四聚体能谱中诱导弗洛凯能带间兰道-津泽尔跃迁的作用。

提出的方法

• 制备了具有Ti/Al超导接触和集成超导通量环的四端口石墨烯-hBN-SiO2约瑟夫森结。
• 采用门电压调控，控制每个接触处的化学势和耦合强度，实现Andreev束缚态谱的工程化。
• 施加直流偏置电压，使系统进入非平衡态，通过交流约瑟夫森效应诱导Andreev束缚态的周期性调制。
• 测量微分电导（dI/dV）随偏置电压、磁场和背栅电压的变化，以探测超电流和相位依赖输运。
• 采用SQUID类似结构检测与磁通相关的干涉图案，其周期性与环面积及4e电荷特征相关。
• 使用弗洛凯理论模型分析数据，描述时间周期性能带的形成及由于兰道-津泽尔跃迁导致的 avoided crossings。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在多端口石墨烯约瑟夫森结中相干地制备并探测库珀四聚体态？
• RQ2 临界超电流是否在磁通中表现出4e周期性，从而为四聚体配对提供证据？
• RQ3 直流偏置电压如何影响四聚体电流，兰道-津泽尔跃迁在观测到的非单调行为中起什么作用？
• RQ4 Andreev-弗洛凯能带结构在多大程度上能解释观测到的电流振荡与反向现象？
• RQ5 4e电荷特征在耦合不对称性和磁通穿通变化下是否具有鲁棒性？

主要发现

• 临界四聚体超电流表现出与4e电荷对应的磁振荡，为库珀四聚体配对提供了直接证据。
• 在有限偏置下，直流四聚体超电流随电压呈现非单调行为，表明弗洛凯能带结构中 avoided crossings 之间的兰道-津泽尔跃迁。
• 临界电流的极小值与Andreev-弗洛凯阶梯中的反交叉点完全相关，证实了具有相反电流方向的绝热态之间的量子混合。
• 共振位置的磁通依赖性表明，4e周期性具有鲁棒性，并受环中磁通穿通调制，Φ = 0 与 Φ = Φ₀/2 之间表现出明显的相位差。
• 多能级量子点系统的数值建模证实，即使在实际耦合不对称条件下，电流反向与4e周期性依然存在，表明该效应具有鲁棒性。
• 在共振点附近，系统表现出π-结特性，具有强烈的2Φ₀/2周期性分量，表明存在涉及四聚体态的量子过程。