[论文解读] Dynamical Stabilization of Multiplet Supercurrents in Multi-terminal Josephson Junctions

Ethan G. Arnault, Sara Idris+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 40被引用 35

一句话总结

该论文表明，通过在特定偏置条件（nV₁ = −mV₂）下实现相位锁定振荡，三终端约瑟夫森结中可动态稳定四电子或更多电子的任意态（即多重超导电流），而非依赖静态纠缠。利用石墨烯结、模拟电路和仿真，作者证明这些共振源于类似于卡皮察倒摆的动态稳定机制，从而产生稳健的、经典稳定的2φ谐波超导电流，适用于拓扑量子比特设计。

ABSTRACT

The dynamical properties of multi-terminal Josephson junctions have recently attracted interest, driven by the promise of new insights into synthetic topological phases of matter and Floquet states. This effort has culminated in the discovery of Cooper multiplets, in which the splitting of a Cooper pair is enabled via a series of Andreev reflections that entangle four (or more) electrons. In this text, we show conclusively that multiplet resonances can also emerge as a consequence of the three terminal circuit model. The supercurrent appears due to the correlated phase dynamics at values that correspond to the multiplet condition $nV_1 = -mV_2$ of applied bias. The emergence of multiplet resonances is seen in i) a nanofabricated three-terminal graphene Josephson junction, ii) an analog three terminal Josephson junction circuit, and iii) a circuit simulation. The mechanism which stabilizes the state of the system under those conditions is purely dynamical, and a close analog to Kapitza's inverted pendulum problem. We describe parameter considerations that best optimize the detection of the multiplet lines both for design of future devices. Further, these supercurrents have a classically robust $\cos2\phi$ energy contribution, which can be used to engineer qubits based on higher harmonics.

研究动机与目标

• 证明多终端约瑟夫森结中的多重超导电流可源于动力学相位稳定化，而非静态纠缠。
• 识别并表征在特定偏置条件（nV₁ = −mV₂）下稳定这些超导电流的动力学机制。
• 通过实验、模拟电路和电路仿真，在三终端石墨烯约瑟夫森结中验证该现象。
• 优化器件参数，以在未来量子器件中增强对多重共振的探测能力。
• 探索这些系统中cos²φ能量贡献在构建高次谐波量子比特方面的潜力。

提出的方法

• 将三终端结建模为包含电阻和电容的并联约瑟夫森结网络，采用扩展至二维相位动力学的RCSJ框架。
• 推导相位变量φL和φR的耦合微分方程组，结合约瑟夫森关系与基尔霍夫定律。
• 应用条件nV₁ = −mV₂，以识别超导电流出现的动力学稳定点。
• 在30 mK温度下对纳米加工、封装的石墨烯三终端约瑟夫森结进行实验。
• 构建并测试一个模拟约瑟夫森结电路，以重现其动力学行为。
• 进行电路仿真，以验证观测到的共振和相位动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 多终端约瑟夫森结中的多重超导电流是否可通过动力学相位锁定而非静态纠缠实现稳定？
• RQ2 何种特定偏置条件（nV₁ = −mV₂）会导致这些动力学共振的出现？
• RQ3 栅压和接触透射率的变化如何影响多重谱线的可见度？
• RQ4 该动力学稳定机制在模拟电路和仿真中在多大程度上可被复现？
• RQ5 cos²φ能量贡献在实现高次谐波量子比特设计中起到何种作用？

主要发现

• 当偏置条件nV₁ = −mV₂满足时，三终端石墨烯约瑟夫森结中出现多重共振，表现为四电子态谱线（Q），表明存在动力学稳定。
• 在狄拉克点附近（VG = −2 V）四电子谱线消失，此时接触透射率降低，正常电阻（Rn）增大，相干输运被抑制，与非耗散性多次 Andreev 反射（MAR）的消失一致。
• 观测到的共振并非源于微观多接触Andreev过程，而是RCSJ模型中相位锁定振荡引起的经典动力学效应。
• 该系统表现出经典稳健的cos²φ能量贡献，为基于高次谐波的量子比特工程提供了稳定平台。
• 该动力学稳定机制类似于卡皮察的倒摆，其中相位振荡稳定了亚稳态。
• 通过参数调节（尤其是栅压和电流偏置）可优化多重谱线的可见度，从而为未来量子器件的设计提供指导原则。