[논문 리뷰] Zeeman and Orbital Driven Phase Transitions in Planar Josephson Junctions

D. Z. Haxell, M. Coraiola외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 02.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 52인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 평면 자기장 하에서 게이트 조절 가능한 InAs/Al 평판형 조지프슨 결합에서 제만 및 궤도 효과를 조사하며, 두 가지 유형의 상이한 위상 이동을 규명한다: 유형 A(게이트 조절 가능하고 라슈바 스핀 오비탈 결합을 통한 제만 기반), 유형 B(장에 의해 유도되며 궤도 기원이며 크기에 의존하는). 주요 발견은 유형 B 위상 이동이 스위칭 전류 최소값과 초전도 갭 재개와 함께 나타나며, 궤도 효과에 의해 지배되고 초전도 도핑 길이에 따라 스케일링됨을 확인하여, 위상 전이 서명에서 스핀 오비탈, 제만, 궤도 물리의 상호작용을 명확히 한다.

ABSTRACT

We perform supercurrent and tunneling spectroscopy measurements on gate-tunable InAs/Al Josephson junctions (JJs) in an in-plane magnetic field, and report on phase shifts in the current-phase relation measured with respect to an absolute phase reference. The impact of orbital effects is investigated by studying multiple devices with different superconducting lead sizes. At low fields, we observe gate-dependent phase shifts of up to ${φ_{0}=0.5π}$ which are consistent with a Zeeman field coupling to highly-transmissive Andreev bound states via Rashba spin-orbit interaction. A distinct phase shift emerges at larger fields, concomitant with a switching current minimum and the closing and reopening of the superconducting gap. These signatures of an induced phase transition, which might resemble a topological transition, scale with the superconducting lead size, demonstrating the crucial role of orbital effects. Our results elucidate the interplay of Zeeman, spin-orbit and orbital effects in InAs/Al JJs, giving new understanding to phase transitions in hybrid JJs and their applications in quantum computing and superconducting electronics.

연구 동기 및 목표

• 평면 자기장 하에서 평판형 조지프슨 결합의 위상 이동에서 제만, 스핀 오비탈, 궤도 효과의 기여를 분리하는 것.
• InAs/Al 이종구조에서 관측된 비정상적인 위상 이동과 이론적 기대치 사이의 괴리를 해결하는 것.
• 스위칭 전류 최소값과 갭 재개와 같은 관측된 서명이 위상 전이인지 궤도 효과 때문인지 명확히 하는 것.
• 양자 컴퓨팅 응용을 위한 하이브리드 초전도체-반도체 결합에서 위상 전이의 기초 이해를 확립하는 것.

제안 방법

• 다양한 초전도 도핑 길이를 가진 평판형 SQUID에서 게이트 조절 가능한 InAs/Al 조지프슨 결합에 대해 동시 초전류 및 턨널 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 이상적인 위상 이동을 감지하기 위해 절대 위상 기준에 대해 전류-위상 관계(CPR)를 측정하였다.
• 안드리에프 고유 상태(ABS) 스펙트로스코피를 사용하여 위상 이동과 준입자 준위 스펙트럼을 연관시켰다.
• 게이트 전압과 평면 자기장의 체계적 변화를 통해 게이트 의존성(유형 A)과 자기장 의존성(유형 B) 위상 이동 메커니즘을 분리하였다.
• 비대칭 전류 분포로 인한 플럭스 이동을 보정하기 위해 초전도 링의 운동 에너지 인덕턴스를 추정하였다.
• 스위칭 전류와 미분 도전도의 자기장 및 게이트 의존성을 분석하여 갭 폐쇄 및 재개 서명을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작은 평면 자기장에서 관측된 InAs/Al 조지프슨 결합의 비정상적인 위상 이동은 무엇에 기인하며, 게이트 전압에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 어떤 위상 이동은 초전도 도핑 길이에 따라 스케일링되지만 다른 것은 그렇지 않은 이유는 무엇이며, 이는 그 물리적 기원에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ3 궤도 효과가 스위칭 전류 최소값과 초전도 갭 재개와 같은 위상 전이 서명을 어느 정도 모방하는가?
• RQ4 제만 및 스핀 오비탈 결합 효과는 전류-위상 관계와 안드리에프 고유 상태 스펙트럼에 어떻게 나타나는가?
• RQ5 초전도 링의 운동 에너지 인덕턴스 효과는 CPR 측정에서 내재된 위상 이동과 어떻게 구별되는가?

주요 결과

• 저자기장에서 관측된 유형 A 위상 이동은 평면 자기장에 대해 선형이며 게이트 조절 가능하며, 라슈바 스핀 오비탈 결합을 통한 제만 결합에 기인하며, 최대 게이트 전압에서 기울기 β ≳100 µT/T를 보였다.
• 이 유형 A 이동은 초전도 도핑 길이와 무관하며, 터널 스펙트로스코피에서 볼 수 있는 구동성 안드리에프 고유 상태 위상 이동과 강하게 상관되어 있었다.
• 높은 평면 자기장 영역에서는 별개의 유형 B 위상 이동이 나타났으며, 게이트 전압과 무관하지만 초전도 도핑 길이에 강하게 의존하여 궤도 기원임을 시사했다.
• 유형 B 위상 이동은 스위칭 전류의 局부 최소값과 함께 나타나며, 초전도 갭의 폐쇄 및 재개를 동반하여 위상 전이를 모방하였다.
• 운동 에너지 인덕턴스로 인한 플럭스 이동은 ∆BKin. ≈110 µT로 추정되었으며, 실험 관측과 일치하고 게이트 전압과 무관했다.
• 관측된 위상 이동과 갭 동역학은 단일 채널 모델로는 완전히 설명될 수 없었으며, 결합에서 다중 횡방향 모드의 기여가 있음을 시사했다.