하이브리드 CQUID에서 아하로노프‑캐스터 효과를 이용한 플럭스 터널링 억제

초록

본 연구는 고유도 NbN 루프에 삽입된 두 개의 조셉슨 접합(JJ)과 그 사이에 위치한 작은 알루미늄 섬을 이용한 하이브리드 전하 양자 간섭 장치(h‑CQUID)를 구현한다. 섬에 가해지는 게이트 전압으로 유도된 전하 Q가 아하로노프‑캐스터(AC) 효과를 통해 플럭스온(Fluxon) 터널링 경로의 위상 차이를 조절한다. Q가 홀수 전자수(e)일 때 두 경로가 파괴적 간섭을 일으켜 터널링이 거의 사라짐을 관찰했으며, 이는 이론적 예측과 일치한다. 그러나 NbN 필름에서 발생한 준입자(Quasiparticle) 오염으로 인해 T₁ ≈ 20 ns의 짧은 에너지 이완 시간을 보였다.

상세 분석

이 논문은 아하로노프‑캐스터 효과를 실험적으로 검증함과 동시에, 고유도 NbN 루프와 전통적인 조셉슨 접합을 결합한 새로운 형태의 전하 양자 간섭 장치(h‑CQUID)를 제시한다. 기존의 CQUID는 초박형 NbN 나노와이어를 CQPS(Quantum Phase Slip) 중심으로 사용했으나, 나노와이어 폭이 10 nm 수준으로 제조 공정 한계에 크게 의존해 재현성이 낮았다. 반면 h‑CQUID는 두 개의 JJs를 이용해 파라미터 제어와 수율을 크게 향상시켰으며, NbN 필름의 높은 동역학 유도(Lₖ≈ 81 nH)를 활용해 루프를 매우 컴팩트하게 구현했다.

이론적으로는 플럭스 기반 이진 상태 |↑⟩, |↓⟩를 두 레벨 시스템으로 모델링하고, Hamiltonian Ĥ = −(ε/2)σ_z − (E_S/2)σ_x 로 표현한다. 여기서 ε = 2I_pΔΦ는 외부 플럭스에 의한 에너지 차, I_p = Φ₀/2Lₖ는 영구 전류, ΔΦ는 디그너시 포인트에서의 플럭스 편차이다. E_S는 두 JJ를 통한 플럭스온 터널링 진폭 ν₁, ν₂의 복소합으로, E_S(Q)=h|ν₁+e^{i2πQ/e}ν₂| 로 전하 Q에 의존한다. Q는 게이트 전압 V_g와 정전용량 C_g의 곱으로 조절 가능하며, Q가 (n+½)·2e일 때 두 진폭이 위상 반대로 합쳐 파괴적 간섭을 일으킨다.

실험에서는 12 mK의 희석냉각기에서 3개의 공진 모드(3.671 GHz, 6.670 GHz, 10.676 GHz)를 가진 NbN 라인 공진기를 이용해 두톤 분광법으로 양자 상태를 읽었다. 10.676 GHz 모드(Q≈ 520)의 전송 스펙트럼에서 플럭스온 에너지 ΔE/h가 최소 2.555 GHz(ε=0)임을 확인했고, 이를 통해 I_p≈ 11.5 nA, 루프 인덕턴스≈ 90 nH를 추정했다. 게이트 전압을 변화시켜 Q를 스캔한 결과, 2e 주기의 두 개의 스펙트럼 선이 교대로 이동했으며, 이는 전하-홀수/짝수에 따른 위상 차이(π·Q/e)와 일치한다. ν₁≈ 1.48 GHz, ν₂≈ 1.08 GHz인 경우 최소 E_S/h≈ 0.4 GHz까지 억제되었으며, JJ 비대칭을 크게 만든 샘플에서는 ν₁≈ 3.15 GHz, ν₂≈ 1.45 GHz로 더욱 뚜렷한 억제 현상을 관찰했다.

하지만 측정된 T₁≈ 20 ns는 현대 초전도 큐비트(≈ ms)와 크게 차이 나며, 이는 고유도 NbN 루프에 의한 마이크로파 잡음이 알루미늄 섬에 준입자를 생성해 전하 상태를 교란하기 때문이다. 준입자 오염은 두 개의 스펙트럼 선이 동시에 나타나는 현상으로도 드러난다. 또한, 이론적 ν≈ 2.7 GHz(식 3)와 실험값 사이의 차이는 JJ 터널 장벽의 미세한 변동에 기인한다는 분석을 제시한다.

결론적으로, h‑CQUID는 기존 CQUID 대비 높은 제조 수율과 파라미터 제어성을 제공하면서, AC 효과에 의해 플럭스온 터널링을 전하에 따라 정밀하게 조절할 수 있음을 입증했다. 그러나 고유도 NbN 재료의 준입자 문제는 여전히 해결 과제로 남아 있다.