[论文解读] Microwave spectroscopy of interacting Andreev spins

Jaap J. Wesdorp, F. J. Matute-Cañadas+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究通过在高达1 T的磁场下使用磁通调制的超导电路，实现了对InAs/Al纳米线约瑟夫森结中相互作用的Andreev束缚态的微波光谱测量。研究通过磁场依赖的反避免交叉识别出自旋极化的三重态Andreev态，观测到直接由磁场驱动的自旋翻转跃迁，并测得高达0.7π的栅压可调异常相移，揭示了异质纳米线体系中的关键三重态自旋物理与超导电流。

ABSTRACT

Andreev bound states are fermionic states localized in weak links between superconductors which can be occupied with spinful quasiparticles. Microwave experiments using superconducting circuits with InAs/Al nanowire Josephson junctions have recently enabled probing and coherent manipulation of Andreev states but have remained limited to zero or small fields. Here we use a flux-tunable superconducting circuit in external magnetic fields up to 1T to perform spectroscopy of spin-polarized Andreev states up to ~250 mT, beyond which the spectrum becomes gapless. We identify singlet and triplet states of two quasiparticles occupying different Andreev states through their dispersion in magnetic field. These states are split by exchange interaction and couple via spin-orbit coupling, analogously to two-electron states in quantum dots. We also show that the magnetic field allows to drive a direct spin-flip transition of a single quasiparticle trapped in the junction. Finally, we measure a gate- and field-dependent anomalous phase shift of the Andreev spectrum, of magnitude up to approximately $0.7π$. Our observations demonstrate new ways to manipulate Andreev states in a magnetic field and reveal spin-polarized triplet states that carry supercurrent.

研究动机与目标

• 在高磁场下探测异质纳米线约瑟夫森结中Andreev束缚态的自旋分辨多体能谱。
• 在Andreev谱中识别自旋三重态配对与交换相互作用的特征。
• 在超导电路平台中实现对外部磁场直接控制单准粒子自旋翻转跃迁的演示。
• 测量并分析Andreev谱中栅压与磁场依赖的异常相移。

提出的方法

• 采用具有InAs/Al纳米线约瑟夫森结的磁通调制超导电路，实现高能量分辨率的微波光谱测量。
• 施加高达1 T的外加磁场，调节Zeeman分裂，探测自旋依赖的Andreev态。
• 利用微波吸收光谱分辨单个Andreev能级及其磁场色散关系。
• 进行无相互作用的紧束缚模型模拟，并构建包含自旋轨道耦合、Zeeman效应及电子-电子交换相互作用的最小模型。
• 分析光谱以识别单重态-三重态反避免交叉，并提取异常相移。
• 利用宇称选择性测量区分偶宇称与奇宇称的Andreev态。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋轨道耦合与电子-电子相互作用如何在Andreev束缚态的磁场依赖性中体现？
• RQ2 在InAs/Al纳米线约瑟夫森结中，微波光谱的哪些特征表明存在自旋三重态配对？
• RQ3 能否通过外加磁场直接驱动束缚在Andreev态中的单个准粒子发生自旋翻转跃迁？
• RQ4 在高场下Andreev谱中观测到的栅压可调异常相移的起源与大小是什么？
• RQ5 Andreev态之间的相互作用如何导致单重态与三重态之间的混合？

主要发现

• 微波光谱清晰显示出Andreev能级中的单重态-三重态反避免交叉，表明由于自旋轨道耦合与交换相互作用，自旋单重态与自旋三重态之间发生混合。
• 通过其独特的磁场色散特性，识别出自旋极化的三重态Andreev态，其能级分裂与结中的交换相互作用一致。
• 观测到单个准粒子的直接磁场驱动自旋翻转跃迁，实现了无需第二个束缚态即可控制单个Andreev态的自旋。
• 测得高达约0.7π的异常相移，其可由栅压调节，归因于高场下多体Andreev谱的效应。
• 在约250 mT以上，能谱变为无隙，表明系统发生向非超导态或拓扑不同的相的转变。
• 结果证实，自旋轨道耦合与电子-电子相互作用在理解异质纳米线结中多体Andreev谱时均至关重要。