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QUICK REVIEW

[论文解读] Spin-Degeneracy Breaking and Parity Transitions in Three-Terminal Josephson Junctions

Marco Coraiola, D. Z. Haxell|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023
Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6
一句话总结

本研究通过超导相位差调控，在无外加磁场或大充电能的情况下，实现了三终端约瑟夫森结（3TJJ）中自旋简并性破缺与宇称转变。该研究实现了超过9 GHz的自旋分裂，并观测到与基态费米子宇称转变相关的零能交叉，从而在混合量子器件中实现了自旋与宇称自由度的原位调控。

ABSTRACT

Data upload for publication of the same name. Subfolders contain raw data of all figures displayed in the Main Text and Supplemental Material. A description complementing the information available in the manuscript is provided in the 'readme.txt' file.

研究动机与目标

  • 在多端口混合约瑟夫森结中实现对自旋与费米子宇称自由度的调控。
  • 在无外加磁场或显著充电能的条件下实现自旋简并性解除与宇称转变。
  • 通过平面3TJJ中自旋-轨道耦合下的超导相位差，实现对Andreev束缚态（ABSs）的原位调控。
  • 为二维ABS能带结构中相位调控的自旋分裂与宇称转变提供实验证据。

提出的方法

  • 对具有自旋-轨道耦合的相位调控混合三终端约瑟夫森结（3TJJ）中的Andreev束缚态（ABSs）进行谱学探测。
  • 利用集成的磁通偏置线，实现对超导相位差φL与φR的完全控制。
  • 采用超导探针的隧道谱学方法，测绘ABSs的能量色散随磁通的变化关系。
  • 应用离散涡旋条件，识别相空间中允许出现零能ABS交叉（宇称转变）的区域。
  • 通过磁场依赖性测量，确认所观测到能级分裂的自旋特性。
  • 在另一台具有更大散射区域的器件上进行可重复性测试，以验证结果的普适性。
Figure 1: (a) Schematic representation of a hybrid three-terminal Josephson junction (3TJJ). Three superconducting leads with phases $\phi_{\mathrm{L}}$ , $\phi_{\mathrm{R}}$ and $\phi_{\mathrm{M}}\equiv 0$ are coupled to a common scattering region $\mathcal{S}$ . (b) Geometric illustration of the d
Figure 1: (a) Schematic representation of a hybrid three-terminal Josephson junction (3TJJ). Three superconducting leads with phases $\phi_{\mathrm{L}}$ , $\phi_{\mathrm{R}}$ and $\phi_{\mathrm{M}}\equiv 0$ are coupled to a common scattering region $\mathcal{S}$ . (b) Geometric illustration of the d

实验结果

研究问题

  • RQ1在无外加磁场或铁磁元件的条件下，能否在3TJJ中解除自旋简并性？
  • RQ2能否通过多端口约瑟夫森结中的超导相位差调控基态费米子宇称转变？
  • RQ3在具有自旋-轨道耦合的短结3TJJ中，通过相位控制可实现多大的自旋分裂？
  • RQ4在相位调控下，Andreev束缚态的二维能带结构如何演化，零能交叉出现在何处？
  • RQ5在混合3TJJ中，自旋与宇称在多大程度上可实现独立且原位的工程调控？

主要发现

  • 观测到自旋简并性破缺，能级分裂超过9 GHz（40 μeV），证明在无外加磁场条件下实现了强自旋分裂。
  • 在Andreev束缚态谱中识别出零能交叉，与基态费米子宇称转变一致。
  • 离散涡旋条件准确预测了相空间中宇称转变发生的区域，其特征为零能处的电导共振。
  • 所观测到的自旋分裂与宇称转变可通过超导相位差实现原位调控，且无需大充电能。
  • 磁场依赖性测量确认了能级分裂的自旋本质，排除了轨道或其他非自旋起源的可能性。
  • 在另一台具有更大散射区域（直径300 nm）的器件上实现结果的可重复性，支持所观测现象的普适性。
Figure 2: (a) False-colored scanning electron micrograph of a device identical to that under study. Selective removal of Al (blue) exposes the III–V semiconductor below (pink), before being uniformly covered by a dielectric layer (not visible). Gates (yellow) and flux-bias lines (purple) are pattern
Figure 2: (a) False-colored scanning electron micrograph of a device identical to that under study. Selective removal of Al (blue) exposes the III–V semiconductor below (pink), before being uniformly covered by a dielectric layer (not visible). Gates (yellow) and flux-bias lines (purple) are pattern

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