[论文解读] Single quasiparticle excitation dynamics on a superconducting island

V. F. Maisi, S. V. Lotkhov+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究调查了通过隧道结连接到正常金属电极的小型超导铝岛上的单准粒子激发动力学。通过将岛的库仑能调节至奇数电子占据，研究人员检测到一个未配对电子，并测得其弛豫速率，发现准粒子复合速率为8 kHz。结果与BCS理论在无自由参数情况下的定量预测完全一致，证实了该理论在低温铝中的有效性。

ABSTRACT

We investigate single quasiparticle excitation dynamics on a small superconducting aluminum island connected to normal metallic leads by tunnel junctions. We find the island to be free of excitations within the measurement resolution allowing us to determine Cooper pair breaking rate to be less than 3 kHz. By tuning the Coulomb energy of the island to have an odd number of electrons, one of them remains unpaired. We detect it by measuring its relaxation rate via tunneling. By injecting electrons with a periodic gate voltage, we probe electron-phonon interaction and relaxation down to a single quasiparticle excitation pair, with a measured recombination rate of 8 kHz. Our experiment yields a strong test of BCS-theory in aluminum as the results are consistent with it without free parameters.

研究动机与目标

• 研究低温下小超导岛中单准粒子激发的动力学。
• 测量电子占据受控系统中的库珀对破坏速率和准粒子复合速率。
• 利用无自由参数的单准粒子激发系统，检验BCS理论在铝中的预测。
• 探测电子-声子相互作用及单准粒子对下的弛豫动力学。

提出的方法

• 实验采用单电子晶体管（SET）结构，其中小铝岛通过隧道结连接到正常金属电极。
• 通过栅压$V_g$控制电子隧穿，实现对岛电荷态和库仑能$E_c$的调节。
• 系统在亚能隙区域（$eV_b < 2\Delta$）运行，以隔离单准粒子隧穿与多电子过程。
• 使用主方程模型追踪岛上的$N$个过剩电子和$N_S$个准粒子激发的概率$P(N, N_S)$的时间演化。
• 通过一阶微扰理论计算跃迁速率，包括隧穿、库珀对破坏和准粒子复合。
• 模拟考虑了电子-声子弛豫和复合，其中复合速率由热流模型$\dot{Q}_{\text{rec}}$推导。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，小超导岛中库珀对破坏的速率是多少？
• RQ2 在奇数电子占据的超导岛中，单准粒子激发的弛豫动力学行为如何？
• RQ3 是否可以在仅含一个准粒子对的系统中直接测量准粒子复合速率？
• RQ4 实验结果与无自由参数的BCS理论在多大程度上一致？
• RQ5 电子-声子耦合在单准粒子态下如何影响准粒子弛豫？

主要发现

• 库珀对破坏速率测量值小于3 kHz，在实验分辨率内可视为零。
• 对于单对准粒子（$N_S = 2 \to 0$）的准粒子复合速率在$f = 10$ kHz时被直接测得为8 kHz。
• 基于主方程的时间依赖准粒子数模拟精确再现了实验数据，且无自由参数。
• 测得的复合速率与电子-声子耦合及BCS理论的理论预测在定量上完全一致。
• 在低频（$f = 4$ kHz）时，系统主要受单个准粒子主导，复合效应可忽略，验证了单对测量的有效性。
• 热模型在低频下因过热而失效，但非热模拟模型通过追踪$N_S$演化，准确捕捉了动力学行为。