[论文解读] Phase-dependent Andreev molecules and superconducting gap closing in coherently coupled Josephson junctions

Sadashige Matsuo, Takaya Imoto+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 47被引用 4

一句话总结

本研究通过共享超导电极的电控平面结的隧道谱测量，实验上证实了相干耦合约瑟夫森结中相位依赖的Andreev分子态（AMSs）的形成。关键结果是观测到由于AMS形成导致的超导能隙关闭，证实了相干耦合，并为拓扑超导性和量子信息应用中受控平台的AMSs提供了直接证据。

ABSTRACT

The Josephson junction (JJ) is an essential element of superconducting (SC) devices for both fundamental and applied physics. The short-range coherent coupling of two adjacent JJs forms the Andreev molecule states (AMSs), which will provide a new ingredient to engineer the SC transport in JJs and control the Andreev qubits. However, no experimental evidence of the AMSs in the coupled JJs has been reported. Here we provide the tunnel spectroscopic results of electrically controllable two planar JJs sharing one SC electrode. We discover that the coupled JJ results are highly modulated from the single JJ results, due to formation of the phase-dependent AMSs, meaning that the two JJs are coherently coupled. In addition, the superconducting gap closing due to the AMS formation is observed. Our results would help in understanding the microscopic mechanism of the coherent coupling and promoting the AMS physics to apply for research of the topological superconductivity and quantum information technology.

研究动机与目标

• 通过实验观测在相干耦合约瑟夫森结（JJs）中存在尚未被先前证实的Andreev分子态（AMSs），尽管已有理论预测。
• 研究相位依赖耦合在调控多结系统超导输运特性中的作用。
• 通过隧道谱探测JJs之间相干耦合的微观机制。
• 探讨AMS形成对设计超导量子比特和拓扑超导性的意义。
• 通过具有共享超导电极的平面约瑟夫森结架构，展示对AMSs的电控调节。

提出的方法

• 制备共享单一超导电极的电控平面约瑟夫森结，以实现相干耦合。
• 利用扫描隧道谱（STS）探测局域态密度并检测Andreev束缚态。
• 施加栅压以调节两个JJs之间的耦合强度和相位差，实现对AMS形成的控制。
• 测量偏置电压与栅压依赖的微分电导，以识别AMSs和能隙关闭的特征。
• 分析相位依赖的能级和电导特征，确认类分子Andreev态的形成。
• 将耦合JJs的谱与单个JJs的参考数据进行比较，以分离相干耦合的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在相干耦合约瑟夫森结中实验观测到相位依赖的Andreev分子态？
• RQ2 Andreev分子的形成如何影响耦合结中的超导能隙？
• RQ3 相位相干性和结间耦合在调控局域态密度中的作用是什么？
• RQ4 是否能在平面约瑟夫森结架构中实现对AMSs耦合强度和相位的电控调节？
• RQ5 在隧道谱中，Andreev分子形成导致的超导能隙关闭有何特征？

主要发现

• 通过独特的隧道电导特征，实验确认了相干耦合约瑟夫森结中相位依赖的Andreev分子态。
• 与单结相比，耦合结系统表现出显著的谱特征调制，表明存在相干耦合并形成了类分子Andreev态。
• 在特定栅压下清晰观测到超导能隙关闭，表明Andreev分子形成并抑制了超导能隙。
• Andreev束缚态的能量分裂和相位依赖性与耦合JJs中AMSs的理论预测一致。
• 通过电控调节耦合强度，可实现对AMS能级和能隙关闭的调控，证明了分子态的可调性。
• 结果为通过Andreev束缚态实现JJs之间相干耦合的微观机制提供了直接实验证据。