[论文解读] Zeeman and Orbital Driven Phase Transitions in Planar Josephson Junctions

D. Z. Haxell, M. Coraiola+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 52被引用 1

一句话总结

本研究在平面内磁场下，研究了门调控的InAs/Al平面约瑟夫森结中的Zeeman效应与轨道效应，揭示了两种不同的相位移：A型（门调控、由Rashba自旋轨道耦合引发的Zeeman效应）和B型（磁场驱动、轨道起源、尺寸依赖）。关键发现是，B型相位移伴随着开关电流极小值和超导能隙重新打开，主要由轨道效应主导，并与超导引线尺寸成比例，澄清了自旋轨道、Zeeman与轨道物理在拓扑相变特征中的相互作用。

ABSTRACT

We perform supercurrent and tunneling spectroscopy measurements on gate-tunable InAs/Al Josephson junctions (JJs) in an in-plane magnetic field, and report on phase shifts in the current-phase relation measured with respect to an absolute phase reference. The impact of orbital effects is investigated by studying multiple devices with different superconducting lead sizes. At low fields, we observe gate-dependent phase shifts of up to ${φ_{0}=0.5π}$ which are consistent with a Zeeman field coupling to highly-transmissive Andreev bound states via Rashba spin-orbit interaction. A distinct phase shift emerges at larger fields, concomitant with a switching current minimum and the closing and reopening of the superconducting gap. These signatures of an induced phase transition, which might resemble a topological transition, scale with the superconducting lead size, demonstrating the crucial role of orbital effects. Our results elucidate the interplay of Zeeman, spin-orbit and orbital effects in InAs/Al JJs, giving new understanding to phase transitions in hybrid JJs and their applications in quantum computing and superconducting electronics.

研究动机与目标

• 为了厘清Zeeman、自旋轨道与轨道效应在平面约瑟夫森结于平面内磁场下相位移中的贡献。
• 为了解决InAs/Al异质结构中观测到的异常相位移与理论预期之间的差异。
• 明确所观测到的特征（如开关电流极小值与能隙重新打开）是否源于拓扑相变或轨道效应。
• 为量子计算应用建立异质超导-半导体结中相变的基准理解。

提出的方法

• 在具有不同超导引线尺寸的平面SQUID中，对门调控的InAs/Al约瑟夫森结同时进行超电流与隧道谱测量。
• 通过绝对相位参考测量电流-相位关系（CPR），以检测异常相位移。
• 利用Andreev束缚态（ABS）谱学，将相位移与准粒子激发谱相关联。
• 系统性地改变顶栅电压与平面内磁场，以分离门电压依赖（A型）与磁场依赖（B型）的相位移机制。
• 估算超导环的动能电感，以校正因电流分布不对称引起的磁通偏移。
• 分析开关电流与微分电导的磁场与栅压依赖性，以识别能隙关闭与重新打开的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小平面内磁场下，InAs/Al约瑟夫森结中观测到的异常相位移由什么引起，其与栅压的关系如何？
• RQ2 为何某些相位移与超导引线尺寸成比例而另一些则不然，这对其物理起源有何启示？
• RQ3 轨道效应在多大程度上会模拟拓扑相变的特征（如开关电流极小值与超导能隙重新打开）？
• RQ4 Zeeman与自旋轨道耦合效应在电流-相位关系与Andreev束缚态谱中如何体现？
• RQ5 能否在CPR测量中将超导环中的动能电感效应与本征相位移区分开？

主要发现

• 在低磁场下观测到A型相位移，其与平面内磁场呈线性关系且可由栅压调控，归因于通过Rashba自旋轨道耦合的Zeeman耦合，最大顶栅电压下梯度β ≳100 µT/T。
• 这些A型相位移与超导引线尺寸无关，且与隧道谱中弹道Andreev束缚态相位移强烈相关。
• 在较高平面内磁场下，出现一种独立于栅压但强烈依赖于超导引线长度的显著B型相位移，表明其具有轨道起源。
• B型相位移伴随着开关电流的局部极小值以及超导能隙的关闭与重新打开，表现出类似拓扑相变的特征。
• 估算的动能电感引起的磁通偏移为∆BKin. ≈110 µT，与实验观测一致，且与顶栅电压无关。
• 观测到的相位移与能隙动力学无法被单通道模型完全解释，表明结中存在多个横向模式的贡献。