Theory of macroscopic quantum tunneling with Josephson-Leggett collective excitations in multiband superconducting Josephson junctions

多バンド超伝導接合系におけるジョセフソン・レゲット集団励起をともなう巨視的量子トンネル効果

浅井 栄大*; 太田 幸宏; 川畑 史郎*; 町田 昌彦  ; Nori, F.*

Asai, Hidehiro*; Ota, Yukihiro; Kawabata, Shiro*; Machida, Masahiko; Nori, F.*

集団励起現象は超伝導材料の特性探索および応用可能性を調べる上で重要である。本論文では、多バンド超伝導を含むジョセフソン接合デバイスにおいて、その固有の集団励起、ジョセフソン・レゲットモードの寄与を系統的かつ精密に評価し、量子デバイス特性と関わる巨視的量子トンネル効果を記述する理論を提案する。得られた理論により、ジョセフソン・レゲットモードが有する役割が明らかになる。すなわち、(1)零点振動によるトンネルレートの増強、(2)量子摩擦によるトンネルレートの抑制、である。この相反する特性は、今回の論文によりはじめて予測されるものである。加えて、得られた理論は効果(1)が効果(2)より優勢であることを示す。したがって、多バンド超伝導ジョセフソン接合では、量子効果は非常に観測しやすいと結論される。

Collective excitations reveal fundamental properties and potential applications of superconducting states. We study macroscopic quantum tunneling (MQT) in a Josephson junction composed of multiband superconductors, focusing on a phase mode induced by interband fluctuations: the Josephson-Leggett (JL) collective excitation mode. We derive a formula for the MQT escape rate for low-temperature switching events, carefully treating this collective mode. We clarify that the JL mode has two major effects on the MQT: (1) the zero-point fluctuations enhance the escape rate, and (2) the quantum dissipation induced by the couplings to the gauge-invariant phase difference suppresses the quantum tunneling. We show that the enhancement exceeds the suppression for a wide range of junction parameters. This enhancement originates from the single-mode interaction between the tunneling variable and the interband fluctuations.