[论文解读] Dynamical polarization of the fermion parity in a nanowire Josephson junction

Jaap J. Wesdorp, Lukas Grünhaupt+7 more|PubMed|Dec 3, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

该论文通过将InAs纳米线约瑟夫森结嵌入LC谐振器中，实现了在微波驱动下对费米子统计的确定性动力学极化。利用定制的微波脉冲，作者在偶数统计态中实现了高达94% ± 1%的极化，在奇数统计态中实现了89% ± 1%的极化，通过单次测量统计读出得到验证，从而实现了无需后处理或后示踪的统计选择性光谱测量。

ABSTRACT

Josephson junctions in InAs nanowires proximitized with an Al shell can host gate-tunable Andreev bound states. Depending on the bound state occupation, the fermion parity of the junction can be even or odd. Coherent control of Andreev bound states has recently been achieved within each parity sector, but it is impeded by incoherent parity switches due to excess quasiparticles in the superconducting environment. Here, we show that we can polarize the fermion parity dynamically using microwave pulses by embedding the junction in a superconducting LC resonator. We demonstrate polarization up to 94%±1% (89%±1%) for the even (odd) parity as verified by single shot parity readout. Finally, we apply this scheme to probe the flux-dependent transition spectrum of the even or odd parity sector selectively, without any postprocessing or heralding.

研究动机与目标

• 为解决超导电路中由于过剩准粒子导致的非相干统计切换问题。
• 在不改变栅极或磁通设置的前提下，实现对Andreev束缚态中费米子统计的确定性微波控制。
• 在无需后处理或后示踪的情况下，实现对偶数或奇数统计区间的统计选择性光谱测量。
• 证明微波驱动可通过增强偶数与奇数统计区间之间的跃迁速率，实现统计极化。

提出的方法

• 将约瑟夫森结嵌入超导LC谐振器中，以实现非简并读出和微波控制。
• 通过第二条传输线注入频率为 $ f_{\mathrm{p}} $ 的微波泵浦信号，驱动改变统计跃迁速率的跃迁过程。
• 利用频率为 $ f_{\mathrm{r}} $ 的弱探测信号执行单次测量统计读出，实现实时统计测量。
• 将泵浦信号频率调谐至与磁通相关的频率，以在一系列磁通值范围内实现最大极化。
• 采用两态速率模型推断，泵浦信号使偶数与奇数统计之间的跃迁速率提高了一个多数量级。
• 在确定性初始化后执行统计选择性光谱测量，无需任何后处理或后示踪。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用微波驱动在纳米线约瑟夫森结中对Andreev束缚态的费米子统计实现动态极化？
• RQ2 在不使用栅极或磁通调谐的情况下，仅通过微波控制可实现的最大统计极化程度是多少？
• RQ3 能否利用该方法在无需后处理或后示踪的情况下实现统计选择性光谱测量？
• RQ4 为何在低于预期的成对破坏能量阈值的频率下观察到极化阈值？
• RQ5 在亚阈值微波频率下，统计跃迁速率增强的内在机制是什么？

主要发现

• 作者通过微波泵浦在偶数统计区间的极化最高达到94% ± 1%，在奇数统计区间的极化最高达到89% ± 1%。
• 通过单次测量统计读出验证了极化结果，证实了初始化协议的可靠性。
• 根据两态速率模型推断，泵浦信号使偶数与奇数统计之间的跃迁速率提高了一个多数量级。
• 该方法可在无需后处理或后示踪的情况下实现统计选择性光谱测量，且在一系列磁通值范围内均得到验证。
• 在低于预期成对破坏阈值的微波频率下也观察到极化，表明存在涉及密集能级谱和强驱动的多光子过程。
• 奇数统计初始化的残余保真度低于偶数统计，可能是因为脉冲期间向偶数统计的泵浦速率有限。