[论文解读] Photon-assisted tunneling at the atomic scale: Probing resonant Andreev reflections from Yu-Shiba-Rusinov states

O. Peters, Nils Bogdanoff+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 50被引用 6

一句话总结

本研究展示了在超导扫描隧道显微镜中，通过共振Andreev反射探测Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态时，光子辅助隧穿偏离了标准Tien-Gordon理论。作者提出了一种改进的理论模型，解释了这些偏差，表明边带间距和谱特征编码了有效电荷与亚能隙态的特性，从而为非传统超导体和拓扑量子比特提供了强大的原子尺度探测手段。

ABSTRACT

Tunneling across superconducting junctions proceeds by a rich variety of processes, which transfer single electrons, Cooper pairs, or even larger numbers of electrons by multiple Andreev reflections. Photon-assisted tunneling combined with the venerable Tien-Gordon model has long been a powerful tool to identify tunneling processes between superconductors. Here, we probe superconducting tunnel junctions including an impurity-induced Yu-Shiba-Rusinov (YSR) state by exposing a scanning tunneling microscope with a superconducting tip to microwave radiation. We find that a simple Tien-Gordon description describes tunneling of single electrons and Cooper pairs into the bare substrate, but breaks down for tunneling via YSR states by resonant Andreev reflections. We develop an improved theoretical description which is in excellent agreement with the data. Our results establish photon-assisted tunneling as a powerful tool to analyze tunneling processes at the atomic scale which should be particularly informative for unconventional and topological superconductors.

研究动机与目标

• 利用微波驱动的光子辅助隧穿，在原子尺度上研究超结中的隧穿机制。
• 确定标准Tien-Gordon模型是否准确描述了在超结中通过Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态的隧穿。
• 在存在共振Andreev反射的情况下，开发一种改进的理论框架，以解释与Tien-Gordon预测的偏差。
• 利用高频辐射和微分电导谱，提取亚能隙态的物理特性，如有效电荷和波函数特性。
• 确立光子辅助隧穿作为探测拓扑和非传统超导体中奇异准粒子态的诊断工具。

提出的方法

• 在Pb(111)和Pb(110)基底上使用超导Pb包覆的STM探针，在40 GHz高频微波辐射下进行隧穿测量。
• 通过同轴电缆作为高频天线，实现高频电路集成，高效耦合微波辐射至结区。
• 测量dI/dV和d²I/dV²谱，以识别由光子辅助隧穿过程引起的边带结构。
• 应用Tien-Gordon模型分析单电子隧穿和库珀对隧穿，观察到YSR态隧穿中的偏差。
• 开发了一种扩展的理论模型，整合了共振Andreev反射、弛豫率（Γ₁, Γ₂）和配对破坏效应（Γ_S），采用带Dynes参数的修正BCS态密度。
• 使用参数|u|²/ν₀ = 0.21 meV, |v|²/ν₀ = 0.83 meV, Γ₁ = 0.70 μeV, Γ₂ = 0.11 μeV, Γ_S = 20 μeV，以及60 μeV的仪器展宽，对实验dI/dV曲线进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态的光子辅助隧穿如何偏离标准Tien-Gordon模型的预测？
• RQ2 从光子辅助隧穿中的边带间距和谱特征中，可以提取关于有效电荷和亚能隙态特性的哪些信息？
• RQ3 在YSR态存在的情况下，单电子隧穿与共振Andreev隧穿模式下的弛豫率和隧穿动力学有何不同？
• RQ4 改进的理论模型能否准确再现高频辐射下原始结和嵌入YSR态结的实验dI/dV谱？
• RQ5 结电导在单电子隧穿与共振Andreev隧穿机制之间的转变中起什么作用？

主要发现

• 通过YSR态的光子辅助隧穿表现出与Tien-Gordon模型的显著偏差，尤其体现在边带间距和峰不对称性上。
• 在eV = ±Δ处的d²I/dV²谱中，边带间距为ħΩ/2e，证实了共振Andreev反射中的有效电荷转移为2e。
• 通过拟合获得的|u|²/|v|² = 0.253，表明超导态中电子与空穴隧穿振幅的非对称性。
• 在低电导时，隧穿率Γₑ = 4.0 neV和Γₕ = 15.8 neV低于弛豫率（Γ₁, Γ₂），证实了单电子隧穿占主导。
• 在高电导时，隧穿率增加至Γₑ = 6.2 μeV和Γₕ = 24.5 μeV，超过弛豫率，表明向主导的共振Andreev隧穿转变。
• 使用改进模型进行的理论模拟——参数为ν₀t_low = 8.1×10⁻⁴和ν₀t_high = 39×8.1×10⁻⁴——在高频辐射下与实验dI/dV曲线高度一致。