相干性和隧穿效應(yīng)在量子現(xiàn)象中扮演著重要角色。在隧穿事件中,粒子在勢(shì)壘中所需的隧穿時(shí)間一直存在著爭(zhēng)議。當(dāng)涉及多粒子過(guò)程時(shí),這個(gè)問(wèn)題將變得更加復(fù)雜。當(dāng)多粒子在勢(shì)壘兩側(cè)來(lái)回隧穿時(shí),其量子相干時(shí)間是值得研究的重要物理問(wèn)題。
約瑟夫森結(jié)為研究多粒子的隧穿過(guò)程提供了理想平臺(tái)。當(dāng)施加電壓時(shí),多重安德烈夫反射過(guò)程提供了多粒子相干隧穿的機(jī)制;在超導(dǎo)能隙邊,將發(fā)生單粒子隧穿;在電壓為零時(shí),將發(fā)生Cooper對(duì)的隧穿。利用微波驅(qū)動(dòng),則可實(shí)現(xiàn)多種粒子的來(lái)回隧穿。值得指出的是,在通常的約瑟夫森結(jié)中,Cooper對(duì)繼承了超導(dǎo)的宏觀量子相干性,微波驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)Shapiro臺(tái)階;但在極小尺寸的約瑟夫森結(jié)中,由于小的電容和弱的耦合,顯著的相位漲落使得相位不再是好量子數(shù),Cooper對(duì)的宏觀相干性將退化成微觀粒子相干性。
最近,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室Q02組博士生賀江波(現(xiàn)為博士后)在屈凡明研究員的指導(dǎo)下,與呂力研究員、呂昭征副研究員、劉廣同研究員、沈潔特聘研究員、中科院半導(dǎo)體所趙建華研究員、潘東研究員、日本理化所Franco Nori教授、烏克蘭維爾金研究所Sergey Shevchenko教授等合作,在基于InAs0.92Sb0.08半導(dǎo)體納米線的可調(diào)門約瑟夫森結(jié)中測(cè)量到多種電荷態(tài)(單電荷、多電荷和Cooper對(duì))來(lái)回隧穿的相干時(shí)間,以及Cooper對(duì)的宏觀相干性到微觀粒子相干性的轉(zhuǎn)變。
為了研究這些多種電荷態(tài)的相干時(shí)間,團(tuán)隊(duì)利用微波驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)來(lái)回隧穿的過(guò)程,并將電荷態(tài)等效為二能級(jí)系統(tǒng),從而使用Landau-Zener-Stückelberg-Majorana (LZSM)干涉的物理圖像描述其中的相干過(guò)程,成功地解釋了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的高質(zhì)量干涉圖案,并在二維傅里葉空間中分別提取了各種電荷態(tài)隧穿過(guò)程的相干時(shí)間。此外,借助納米線約瑟夫森結(jié)的門電壓可調(diào)性,實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到Cooper對(duì)的宏觀相干性到微觀粒子相干性的轉(zhuǎn)變。此項(xiàng)工作除了基礎(chǔ)研究的興趣和重要性之外,利用LZSM干涉為約瑟夫森結(jié)中各種粒子隧穿的物理圖像提供了新的視角,也表明LZSM干涉可作為探測(cè)介觀器件中電荷相干時(shí)間的一種技術(shù)手段。
相關(guān)研究成果以“Quantifying quantum coherence of multiple-charge states in tunable Josephson junctions ”為題發(fā)表于npj Quantum Information?10,1 (2024)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士生賀江波(現(xiàn)為博士后)與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所潘東研究員為該工作的共同第一作者,中國(guó)科學(xué)院物理研究所屈凡明研究員、呂力研究員、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華研究員和日本理化所Franco Nori教授為共同通訊作者。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、科技創(chuàng)新2030―“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置等的資助。
相關(guān)工作鏈接:https://doi.org/10.1038/s41534-023-00798-2

圖1?約瑟夫森結(jié)中LZSM干涉的圖解。a-d,不同偏置電壓下的電荷態(tài)輸運(yùn)機(jī)制與等效的二能級(jí)系統(tǒng)。e,微波驅(qū)動(dòng)下二能級(jí)系統(tǒng)發(fā)生LZSM干涉的物理圖像。f,器件結(jié)構(gòu)。g,測(cè)量配置。

圖2?單電荷在隧穿極限下的LZSM干涉。a,在正常(非超導(dǎo))狀態(tài)下測(cè)量的電導(dǎo)dI/dV和臨界超流Ic與柵極電壓VG的關(guān)系。b,弱耦合狀態(tài)下微分電導(dǎo)譜。綠色、紅色和藍(lán)色三角形分別表示Cooper對(duì)、一階多重安德烈夫反射和單粒子的電導(dǎo)峰。c,?VG=-31 V和f?=11.755 GHz時(shí)的干涉條紋。d, (c)圖的二維傅里葉變換。e,在(d)圖kA?= 0附近截取的單線(黑色)。f?,(c)圖?P?= - 55 dBm時(shí)dI/dV對(duì)ΔVb?=?Vb?- 2Δ/e的依賴曲線(黑色)及其洛倫茲擬合(紅色)。g-j,f?= 7.665 GHz 和4.0 GHz時(shí)對(duì)應(yīng)的干涉條紋和二維傅里葉變換。?

圖3?多種電荷態(tài)的LZSM干涉。a,?VG=-28.9 V和f?=11.755 GHz時(shí)的干涉條紋。b?,(a)圖的放大圖。c,根據(jù)(a)圖中P?= - 45 dBm時(shí)的電導(dǎo)曲線和(d-f)中所示的T2值計(jì)算的LZSM干涉圖。g,從(a)和(b)中截取的線段,如黑色和紅色條所示。h,從(a)圖截取的曲線(黑色)和????