[論文レビュー] Andreev Blockade in a Double Quantum Dot with a Superconducting Lead

David Pekker, Sergey Frolov|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、スピン・シングレット超伝導リードに接続された二重量子ドットにおけるアンドレーエブブロッキングを提案する。ここでは、ドット上のスピン・トリプレット電子は、アンドレーエブ反射が抑制されることにより、コープル対を形成できない。このブロッキングは、超伝導体界面におけるドットの占有状態にかかわらず持続するため、パウリブロッキングとは異なり、ハイブリッド量子デバイスにおける電子輸送を制御するための新しいメカニズムを提供する。

ABSTRACT

A normal metal source reservoir can load two electrons onto a double quantum dot in the spin-triplet configuration. We show that if the drain lead of the dot is a spin-singlet superconductor, these electrons cannot form a Cooper pair and are blockaded on the double dot. We call this phenomenon Andreev blockade because it arises due to suppressed Andreev reflections. We identify transport characteristics unique to Andreev blockade. Most significantly, it occurs for any occupation of the dot adjacent to the superconductor, in contrast with the well-studied Pauli blockade which requires odd occupations. Andreev blockade is lifted if quasiparticles are allowed to enter the superconducting lead, but it should be observable in the hard gap superconductor-semiconductor devices. Andreev blockade should be considered in the design of topological quantum circuits, hybrid quantum bits and quantum emulators.

研究の動機と目的

• スピン・シングレット超伝導体に接続された二重量子ドット系における電子輸送メカニズムを調査すること。
• スピン・トリプレット電子状態に起因するアンドレーエブ反射の抑制に起因する、新しいブロッキングメカニズムを同定すること。
• 奇数の電子占有を要するパウリブロッキングとは異なり、本メカニズムの特徴を明確にすること。
• ハードギャップ超伝導体-半導体ヘテロ構造において、アンドレーエブブロッキングが観測されたり解除されたりする条件を調査すること。
• アンドレーエブブロッキングがトポロジカル量子回路やハイブリッド量子ビットの設計に与える影響を評価すること。

提案手法

• ソースリザーバーを通常金属、ドレインをスピン・シングレット超伝導体とする二重量子ドット系をモデル化すること。
• 二つの電子がドットにスピン・トリプレット状態で占有されている条件での電子輸送を分析すること。
• アンドレーエブ反射の理論を適用し、超伝導体リードとのスピン不一致によりコープル対形成が抑制されることを示すこと。
• 非平衡グリーン関数法を用いて輸送特性を計算し、ブロッキングの兆候を同定すること。
• 特にハードギャップ超伝導系において、準粒子注入がブロッキングの解除に果たす役割を評価すること。
• アンドレーエブブロッキング下での輸送行動とパウリブロッキング下での行動を比較し、占有状態依存性における主要な差を強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンドレーエブ反射の抑制が、超伝導体リードを有する二重量子ドットでどのように電子ブロッキングを引き起こすか？
• RQ2 電子占有状態依存性の観点から、アンドレーエブブロッキングとパウリブロッキングの主な相違点は何か？
• RQ3 ハードギャップ超伝導体-半導体ヘテロ構造において、アンドレーエブブロッキングがどのような条件下で観測可能か？
• RQ4 準粒子注入は、アンドレーエブブロッキングの安定性および観測可能性にどのように影響するか？
• RQ5 アンドレーエブブロッキングは、トポロジカル量子回路やハイブリッド量子ビットの設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• アンドレーエブブロッキングは、二重ドット上のスピン・トリプレット状態にある二つの電子が、スピン・シングレット超伝導体リードとコープル対を形成できないことによるアンドレーエブ反射の抑制に起因する。
• このブロッキングは、超伝導体に接するドットの占有状態にかかわらず発生するが、パウリブロッキングとは異なり、奇数の占有を要件としない。
• 準粒子が超伝導体リードに流入できる場合、アンドレーエブブロッキングは解除され、これは準位状態のサブギャップ成分に敏感であることを示している。
• 準粒子汚染が最小限に抑えられるハードギャップ超伝導体-半導体デバイスでは、この現象は観測可能であると期待される。
• アンドレーエブブロッキングは、トポロジカル量子コンピューティングや量子エミュレーションに有用なハイブリッド量子系における電子輸送制御の新しいメカニズムを提供する。
• アンドレーエブブロッキングの輸送特性は明確に特徴づけられ、特化した量子ドットアーキテクチャにおいて実験的検出が可能である。