[论文解读] Phase-engineering the Andreev band structure of a three-terminal Josephson junction

M. Coraiola, D. Z. Haxell+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 63被引用 9

一句话总结

本研究通过InAs/Al异质结中的隧道谱测量，实现了对三终端约瑟夫森结中Andreev束缚态的相位工程调控。通过磁通偏置线独立调节两个超导相位差，作者观察到两个离散Andreev能级之间的混合化，表现为二维相空间中的 avoided crossings 和各向异性的能带结构，该结果得到数值模型的验证。该工作为在多端口混合纳米结构中工程合成Andreev物质及拓扑态奠定了平台基础。

ABSTRACT

In hybrid Josephson junctions with three or more superconducting terminals coupled to a semiconducting region, Andreev bound states may form unconventional energy band structures, or Andreev matter, which are engineered by controlling superconducting phase differences. Here we report tunnelling spectroscopy measurements of three-terminal Josephson junctions realised in an InAs/Al heterostructure. The three terminals are connected to form two loops, enabling independent control over two phase differences and access to a synthetic Andreev band structure in the two-dimensional phase space. Our results demonstrate a phase-controlled Andreev molecule, originating from two discrete Andreev levels that spatially overlap and hybridise. Signatures of hybridisation are observed in the form of avoided crossings in the spectrum and band structure anisotropies in the phase space, all explained by a numerical model. Future extensions of this work could focus on addressing spin-resolved energy levels, ground state fermion parity transitions and Weyl bands in multiterminal geometries.

研究动机与目标

• 在InAs/Al异质结中实现并探测一个相位可调的三终端约瑟夫森结（3TJJ），实现对两个超导相位差的独立控制。
• 通过离散Andreev能级的空间重叠与耦合，研究杂化Andreev束缚态（称为“Andreev分子”）的形成机制。
• 在相空间中绘制二维Andreev能带结构，并识别杂化特征，如 avoided crossings 和各向异性色散。
• 基于具有可调相位差的超导端口耦合的量子点模型，对实验观测结果进行理论验证。
• 为未来在多端口几何结构中探索自旋分辨能级、费米子宇称跃迁以及类似外尔（Weyl）的能带结构奠定基础。

提出的方法

• 通过选择性Al刻蚀在InAs/Al异质结中制备三终端约瑟夫森结，定义三个超导端口（L、M、R），通过公共节点D连接，形成两个闭合的超导回路。
• 采用磁通偏置线注入电流（IL、IR），产生可调的外部磁通（ΦL、ΦR），分别穿过左右回路，实现对相位差ϕL和ϕR的独立控制。
• 使用超导探测探针（S）进行直流隧道谱测量，测量微分电导（G）随偏置电压（VSD）和相位差（ΦL、ΦR）的变化。
• 通过栅压VSwitch实现三端口（ON）与两终端（OFF）构型的电学切换，支持对比研究。
• 采用基于两个耦合量子点（QDs）的数值模型，代表Andreev能级，每个量子点与两个具有相位ϕL、ϕR、ϕM的超导端口耦合，具有可调的混合化强度（t）和透射率（Γ）。
• 利用公式13和14进行电流-磁通映射，将测得的电流注入（IL、IR）转换为等效相位差（ΦL、ΦR），实现精确的相空间映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过相位工程在三终端约瑟夫森结中实现Andreev束缚态的杂化？在二维相空间中会呈现出何种特征？
• RQ2 相空间中 avoided crossings 和能带结构各向异性的出现，如何反映两个离散Andreev能级的杂化行为？
• RQ3 所观测到的能带结构在多大程度上可由具有可调相位差的合成二维相空间中耦合Andreev能级的理论模型解释？
• RQ4 两个回路之间的约瑟夫森样互感耦合在何种程度上影响了相依赖共振峰的位置？
• RQ5 该系统是否可用于构建具有可调拓扑或非平凡费米子特性的合成Andreev物质？

主要发现

• 隧道谱测量揭示了3TJJ中两个独立的Andreev束缚态，每个态分别随一个相位差（ϕL或ϕR）发生色散，形成相空间中的二维能带结构。
• 微分电导图中观察到 avoided crossings，表明具有空间重叠的两个Andreev能级之间存在能级排斥与杂化。
• 能带结构表现出各向异性色散：共振线的斜率随开关结状态变化，证实了两个回路之间存在有限的约瑟夫森样互感耦合。
• 切换结状态时，测得相位差变化最大达ΔΦL ≈ 0.3Φ0 和 ΔΦR ≈ 0.2Φ0，与有限互感和磁通量子化一致。
• 实验数据与基于两能级量子点模型的数值模拟高度吻合，该模型具有可调混合化强度（t ≈ 0.01Δ）和有限的正常反射振幅。
• 该系统实现了相控Andreev分子，其中两个离散Andreev能级的杂化导致形成在两终端结中无法实现的合成能带结构。