[论文解读] Spectroscopy of spin-split Andreev levels in a quantum dot with superconducting leads

Arno Bargerbos, Marta Pita‐Vidal+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 65被引用 4

一句话总结

本研究展示了在超导量子点约瑟夫森结中实现对自旋分裂Andreev束缚态的全电控与光谱表征。通过将结调制至自旋1/2基态并施加小磁场（<40 mT），研究人员分辨出两条磁通敏感的自旋分支，观测到反常约瑟夫森效应，并通过微波驱动的电偶极自旋共振直接激发自旋翻转跃迁，为实现具有长相干时间的稳健、全电控Andreev自旋量子比特开辟了新路径。

ABSTRACT

We use a hybrid superconductor-semiconductor transmon device to perform spectroscopy of a quantum dot Josephson junction tuned to be in a spin-1/2 ground state with an unpaired quasiparticle. Due to spin-orbit coupling, we resolve two flux-sensitive branches in the transmon spectrum, depending on the spin of the quasi-particle. A finite magnetic field shifts the two branches in energy, favoring one spin state and resulting in the anomalous Josephson effect. We demonstrate the excitation of the direct spin-flip transition using all-electrical control. Manipulation and control of the spin-flip transition enable the future implementation of charging energy protected Andreev spin qubits.

研究动机与目标

• 实现对具有长寿命准粒子态的超导量子点约瑟夫森结中自旋态的全电控。
• 通过光谱手段解析InAs/Al纳米线器件中由自旋-轨道耦合引起的自旋分裂Andreev束缚态。
• 通过磁场诱导的能量-相位关系偏移，实现反常约瑟夫森效应的观测。
• 利用电偶极自旋共振（EDSR）实现直接微波驱动的自旋翻转跃迁，以实现更快、更简单的量子比特操控。
• 开发一种充电能保护的Andreev自旋量子比特平台，其跃迁频率可通过磁通和磁场实现可调谐控制。

提出的方法

• 在InAs/Al纳米线约瑟夫森结中制备了具有门控可调量子点的混合超导-半导体Transmon器件。
• 采用Transmon光谱技术探测Transmon与量子点结的联合能级，测量磁通和磁场依赖的跃迁频率。
• 施加外部磁场（最高40 mT）以解除自旋简并，调节自旋态之间的能级劈裂，实现对自旋亚能级的选择性占据。
• 通过施加在底栅上的微波脉冲驱动电偶极自旋共振（EDSR），直接激发双态之间的自旋翻转跃迁。
• 使用改进的单杂质安德森模型（SIAM）对系统进行建模，并将实验数据与自旋分裂Andreev能级及反常约瑟夫森行为的理论预测进行比较。
• 通过磁通周期性和频率偏移测量提取有效朗德g因子（g∥ = 11，g⊥ = 3.8），证实了自旋-轨道耦合效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用Transmon技术对超导量子点结中的自旋分裂Andreev束缚态进行光谱分辨？
• RQ2 外加磁场如何影响自旋分裂Andreev能级的能级劈裂与磁通依赖性？
• RQ3 能否在该系统中观测并控制反常约瑟夫森效应——其特征为非零、自旋依赖的相位最小值？
• RQ4 在无辅助能级的超导异质结器件中，能否实现直接电偶极驱动的自旋翻转跃迁？
• RQ5 通过磁场和磁通对自旋态间跃迁频率的可调谐程度如何，以支持可扩展的量子比特集成？

主要发现

• 尽管能级劈裂小于电子温度，仍通过基于Transmon的测量灵敏度实现了对自旋分裂Andreev束缚态的光谱分辨。
• 在Transmon谱中观测到两条不同的磁通敏感分支，分别对应双态的自旋向上和自旋向下态，其能级劈裂可通过磁场调节。
• 外加磁场低于40 mT即引起约瑟夫森能量-相位关系的显著偏移，证实了具有自旋依赖最小相位φ₀ ≠ 0, π的反常约瑟夫森效应。
• 提取的有效朗德g因子为g∥ = 11和g⊥ = 3.8，表明存在强自旋-轨道耦合及磁场对自旋响应的各向异性。
• 通过门电压脉冲驱动的电偶极自旋共振（EDSR）实现了直接微波驱动的自旋翻转跃迁，实现了无需辅助能级的全电控。
• 自旋1/2基态中的准粒子寿命超过1 ms，归因于大充电能抑制了准粒子中毒，从而实现了稳定的量子比特操作。