Josephson Spektroskopie gebundener Zustände auf Supraleitern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Magnetische Adsorbate auf supraleitenden Substraten haben in letzter Zeit großes Interesse als Bausteine von topologischen Adatomketten geweckt, die eine vielversprechende Plattform für Quanten Computing darstellen. Die Austauschwechselwirkung von magnetischen Atomen mit einem supraleitenden Substrat führt zu so genannten Yu-Shiba-Rusinov (YSR)-Zuständen innerhalb der supraleitenden Energielücke. Während diese bei einzelnen magnetischen Atomen als lokalisierte Zustände auftreten, können sie ausgedehnte YSR-Bänder bilden, wenn sie in Nanostrukturen, wie z. B. Adatomketten, hybridisiert werden. Dies kann schließlich zur Entstehung von topologischer Supraleitung führen. Die eindeutige Identifizierung topologischer Eigenschaften erfordert ein Instrumentarium, das über Standard-Rastertunnelmikroskopie/Spektroskopie-Experimente (STM/STS) hinausgeht. Unser DFG-ANR-Projekt untersuchte neue Aspekte von Quantentransportphänomenen in Tunnelkontakten, die magnetische Adatome und Quantenpunkte enthalten. Die komplementären Transportgeometrien zusammen mit neuen experimentellen Fortschritten erlaubten es uns, den Transport in verschiedenen Regimen zu untersuchen, vom Tunneln bis zum Kontakt, im Magnetfeld und unter Mikrowellenbestrahlung. Wir haben zunächst einen Quanten-Transportaufbau verwendet, um die Eigenschaften eines Quantenpunkts zu untersuchen und zu kontrollieren, der an zwei Leitungen gekoppelt ist. Wir haben gezeigt, dass die YSR-Zustände durch ein externes Magnetfeld einstellbar sind, wodurch die Zustände den Quantenphasenübergang zwischen abgeschirmt und nicht abgeschirmt durchlaufen können (veröffentlicht in Phys. Rev. Res.). Die zweite Art von Experimenten wurde in STM-Geometrie durchgeführt, wobei wir konventionelle differentielle Leitwertspektroskopie mit Mikrowellenbestrahlung kombinierten. Dadurch konnten wir photonen-assistiertes Tunneln nachweisen. Die Signaturen in den leistungsabhängigen Karten des photonenassistierten Tunnelns erlaubten uns eindeutige Rückschlüsse auf die Transporteigenschaften und insbesondere auf den leitwertabhängigen Übergang vom Einzelelektronentunneln zu resonanten Andreev-Reflexionen. Durch Anwendung des bekannten Tien-Gordon-Modells auf die Tunnelraten konnten wir die experimentellen Daten mit sehr hoher Genauigkeit reproduzieren und das photonenassistierte Tunneln als leistungsfähiges Werkzeug zur Analyse von Tunnelprozessen etablieren (veröffentlicht in Nature Physics). Darüber hinaus etablierten wir die stromgetriebene Josephson-Spektroskopie als komplementäres Werkzeug zum üblichen spannungsgetriebenen Regime in einer STM-Geometrie. So konnten wir die Schalt- und Retrapping-Ströme bestimmen, die den verlustfreien Josephson-Superstrom vom dissipativen Stromfluss trennen. Wenn magnetische Adatome in die Kontakte eingefügt wurden, beobachteten wir ein nicht-reziprokes Verhalten, das an eine supraleitende Diode erinnert (zur Veröffentlichung in Nature angenommen). Unser Projekt hat somit neue experimentelle Protokolle eingeführt, die Oberflächenwissenschaft und Quanten-Nanoelektronik vereinen und nun zur Identifizierung neuartiger Arten von Supraleitung auf der Nanoskala eingesetzt werden können. Durch dieses Projekt konnte eine enge Zusammenarbeit zwischen den Gruppen von Katharina Franke an der Freien Universität Berlin und Clemens Winkelmann am CNRS Délégation Alpes / Institut Néel in Grenoble aufgebaut werden, die in Zukunft fortgesetzt werden soll.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Magnetic-Field-Induced Transition in a Quantum Dot Coupled to a Superconductor. Physical Review Research 2, 012065 (R) (2020)
Alvaro Garcia-Corral, David M. T. van Zanten, Katharina J. Franke, Hervé Courtois, Serge Florens, Clemens B. Winkelmann
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Resonant Andreev reflections probed by photon-assisted tunnelling at the atomic scale. Nature Physics 16, 1222 (2020)
Olof Peters, Nils Bogdanoff, Sergio Acero Gonzalez, Larissa Melischek, J. Rika Simon, Gaël Reecht, Clemens B. Winkelmann, Felix von Oppen, Katharina J. Franke
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Direct observation of intrinsic surface magnetic disorder in amorphous superconducting films. Physical Review B 105, L140505 (2022)
Idan Tamir, Martina Trahms, Franzisca Gorniaczyk, Felix von Oppen, Dan Shahar, Katharina J. Franke
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Diode effect in Josephson junctions with a single magnetic atom. Nature 615, 628 (2023)
Martina Trahms, Larissa Melischek, Jacob F. Steiner, Bharti Mahendru, Idan Tamir, Nils Bogdanoff, Olof Peters, Gael Reecht, Clemens B. Winkelmann, Felix von Oppen, Katharina J. Franke
