[论文解读] Observation of the Schmid-Bulgadaev dissipative quantum phase transition

Roman Kuzmin, Nitish Mehta+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本论文通过探测超导约瑟夫森结与传输线中环境光子的相互作用，首次在实验上观测到施密德-布尔加达耶夫耗散量子相变。在临界阻抗 $ Z = R_Q = h/4e^2 \approx 6.5~\mathrm{k\Omega} $ 处，结表现出与频率无关的非弹性散射，标志着其行为如同理想电阻的量子临界点，证实了从超导体到绝缘体的相变仅由环境耗散决定。

ABSTRACT

Although quantum mechanics applies to many macroscopic superconducting devices, one basic prediction remained controversial for decades. Namely, a Josephson junction connected to a resistor must undergo a dissipation-induced quantum phase transition from superconductor to insulator once the resistor's value exceeds $h/4e^2 \approx 6.5~ extrm{k}Ω$ ($h$ is Planck's constant, $e$ is the electron charge). Here we finally demonstrate this transition by observing the resistor's internal dynamics. Implementing our resistor as a long transmission line section, we find that a junction scatters electromagnetic excitations in the line as either inductance (superconductor) or capacitance (insulator), depending solely on the line's wave impedance. At the phase boundary, the junction itself acts as ideal resistance: in addition to elastic scattering, incident photons can spontaneously down-convert with a frequency-independent probability, which provides a novel marker of quantum-critical behavior.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于约瑟夫森结在 $ Z = R_Q = h/4e^2 $ 条件下是否因耗散而发生量子相变的争议。
• 实验验证理论预测：超导-绝缘体相变仅取决于环境阻抗，而不依赖于约瑟夫森结参数（如 $ E_J $ 或 $ E_C $）的预测。
• 证明在量子临界点，由于非弹性光子下转换，结表现为理想电阻，从而调和了电感和电容响应发散的矛盾。
• 通过基于环境光子反射光谱学的创新实验方法，验证施密德-布尔加达耶夫相变的理论框架。

提出的方法

• 利用具有可调波阻抗 $ Z $ 的长传输线构建阻性环境，作为约瑟夫森结的欧姆浴。
• 采用微波反射光谱法测量入射至结的环境光子的相位移和非弹性散射率。
• 通过 $ A^2 $（结面积的平方）归一化弹性与非弹性响应，以消除对 $ E_J $ 的依赖，实现不同 $ E_J $ 的器件间比较。
• 通过约瑟夫森结阵列中的磁通调控环境阻抗 $ Z $，实现对临界点的连续扫描。
• 使用精确可解的量子杂质模型计算相位移与非弹性率，并与实验结果对比。
• 开展多器件与单器件测量，验证在不同 $ E_J/E_C $ 比值下临界行为的一致性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当约瑟夫森结耦合至阻抗 $ Z \geq R_Q = h/4e^2 $ 的欧姆环境时，是否表现出从超导体到绝缘体的量子相变？
• RQ2 该相变边界是否如布尔加达耶夫所预测的那样，与约瑟夫森能 $ E_J $ 和电荷能 $ E_C $ 等结参数无关？
• RQ3 非弹性光子散射能否作为相变点处量子临界性的直接实验标志？
• RQ4 在临界阻抗 $ Z = R_Q $ 附近，结的响应函数（相位移与非弹性率）如何变化？
• RQ5 通过非弹性过程是否能够解决临界点处电感与电容发散的表观矛盾？

主要发现

• 在 $ Z/R_Q = 1.0 \pm 0.1 $ 处观测到量子临界点，与理论预测 $ R_Q = h/4e^2 \approx 6.5~\mathrm{k\Omega} $ 高度一致。
• 非弹性散射率 $ \gamma_{\textrm{in}} $ 在 $ Z/R_Q = 1 $ 处发生频率依赖性的符号改变，证实了从超导行为到绝缘行为的相变。
• 弹性相位移与非弹性率均与 $ E_J $ 呈二次方关系，且通过 $ A^2 $ 归一化后，不同尺寸结的数据实现统一，验证了微扰处理的有效性。
• 在临界点，结表现为理想电阻，其非弹性散射与频率无关，从而解决了电感与电容响应发散的表观矛盾。
• 在 $ E_J/E_C $ 比值变化达20倍的范围内，未发现相变边界对 $ E_J/E_C $ 的依赖，证实该相变仅由 $ Z $ 决定，具有普适性。
• 单个可调结阵列的对照实验表明，即使通过磁通调制 $ E_J $，相变仍发生在 $ Z/R_Q $ 的极窄范围内，进一步验证了结果的可靠性。