[论文解读] Aharonov-Casher Effect and the Coherent Flux Tunneling in the Hybrid Charge Quantum Interference Device

J. W. Dunstan, R. Shaikhaidarov+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2026

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一句话总结

论文展示了在一个由两个嵌入高动惯性 NbN 回路的约旦结组成的混合电荷量子干涉装置（h-CQUID）中，通过阿哈罗诺夫-卡彻效应实现磁通隧道抑制，干涉由门控诱导的岛电荷控制。

ABSTRACT

By exploiting the Aharonov-Casher effect we demonstrate a suppression of magnetic flux tunneling in a Hybrid Charge Quantum Interference Device. The main part of this device is two Josephson junctions with a small superconducting island between them. To minimize phase fluctuations across Josephson junctions, this structure is embedded in a compact super-inductive NbN loop. The Interference between the flux tunneling paths is determined by the island-induced charge, which is controlled by an external voltage. The charge sensitive operation of the device is subjected to poisoning by the quasiparticles generated in the NbN film.

研究动机与目标

• 推动并实现一个装置，在其中阿哈罗诺夫-卡彻干涉抑制超导电路中的磁通隧道。
• 将约旦结与高动惯性 NbN 回路结合，以改善参数控制并降低相位涨落。
• 探讨混合 CQUID 的电荷敏感工作及准粒子中毒的影响。
• 通过双音谱学的实验验证并量化磁通子隧道抑制程度。

提出的方法

• 用基于磁通基的哈密顿量对系统建模：H = -(ε/2) σz - (ES/2) σx，其中 ε = 2 Ip ΔΦ 且 ES(Q) = h |ν1 + e^{i2πQ} ν2|。
• 通过在两个 JJs 之间的小 Al 岛上由门控电荷 Q = Cg Vg 控制，来调控 ES，从而实现 ν1 与 ν2 之间的 AC 干涉。
• 在 NbN λ/2 谐振腔的耗散性读出下，采用两音谱学测量，在毫开尔文温度下提取 ΔE = sqrt[ε(Φ)^2 + ES(Q)^2]。
• 用 JJ 参数拟合谱学，并与类自旋量子比特的哈密顿量进行比较，以提取 EJ 与 LE（或 LK）值。
• 将准粒子中毒视为限制因素，通过双谱线和噪声引起的中毒证据进行讨论。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿哈罗诺夫-卡彻效应是否能够在混合约旦电路中完全抑制磁通子隧道？
• RQ2 门控岛电荷如何调制磁通隧道能量 ES 和量子比特激发 ΔE？
• RQ3 将约旦结嵌入高动惯性 NbN 回路是否相比基于纳米线的 CQUID 提升参数控制和器件产量？
• RQ4 准粒子中毒在 h-CQUID 的 AC 干涉中有哪些效应和局限？

主要发现

• AC 效应实现对磁通子干涉的控制，在 Q ≈ 2e(n+1/2) 附近由于干涉抵消而使 ES 最小化。
• 具有不对称性的两个 JJs 在简并时的 ES 可达约 ~2.555 GHz，对应的 IP ~ 11.5 nA，且在拟合中 LK 得到 LE ~ 1.89 GHz。
• 在理想对称情形下可实现完全抑制，但实际器件由于 JJ 不对称性和制造变差而表现出残留的 ES。
• Rabi 振荡的 T1 约为 20 ns，表明与腔体耦合强，量子比特相干时间相对较短。
• 观察到准粒子中毒现象为双谱线，极可能因 NbN 中微波噪声引发的准粒子造成。