[論文レビュー] Crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling in a three-site Kitaev chain nanowire device

Alberto Bordin, Xiang Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、超伝導体-半導体ハイブリッドセグメントで分離された3つの量子ドットを有するInSbナノワイヤから作製された3サイトKitaev鎖において、交差Andreev反射（CAR）および弾性共トンネル（ECT）を実証した。著者らは隣接する量子ドット間で対ごとのCARおよびECTを達成し、3つのドット全体にわたる逐次的CARおよびECT過程を観測し、より長いKitaev鎖におけるトポロジカル超伝導の可能性を裏付けた。

ABSTRACT

The formation of a topological superconducting phase in a quantum-dot-based Kitaev chain requires nearest neighbor crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling. Here we report on a hybrid InSb nanowire in a three-site Kitaev chain geometry - the smallest system with well-defined bulk and edge - where two superconductor-semiconductor hybrids separate three quantum dots. We demonstrate pairwise crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling between both pairs of neighboring dots and show sequential tunneling processes involving all three quantum dots. These results are the next step towards the realization of topological superconductivity in long Kitaev chain devices with many coupled quantum dots.

研究の動機と目的

• InSbナノワイヤを用いて、明確に定義されたバンドギャップおよび端状態を有する最小限の3サイトKitaev鎖デバイスを実現すること。
• 制御されたナノワイヤ構造において、隣接する量子ドット間の交差Andreev反射（CAR）および弾性共トンネル（ECT）の存在を実証すること。
• 全3つの量子ドットにわたる逐次的CARおよびECT過程が実験的に解明され、区別可能であることを確認すること。これはトポロジカル超伝導に不可欠である。
• 延長されたKitaev鎖における長距離もつれや将来のマヨラナ局在状態の実現のためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 3つの量子ドット（QD1、QD2、QD3）を2つの超伝導体-半導体ハイブリッドセグメント（S1、S2）で分離するハイブリッドInSbナノワイヤデバイスを作製した。
• 11本のフィンガーゲートのゲート電圧を用いて、3つの量子ドットの化学ポテンシャルを調整し、トンネル障壁を制御した。
• 全4端子（NL、NR、S1、S2）に独立した電圧および電流バイアスをかけ、輸送電流を測定し、CARおよびECT過程を同定した。
• クーロンダイヤモンド分光法および微分伝導度測定を実施し、量子ドットのキャパシタンスエネルギー（3–4 mV）とレバーアーム（約0.3）を抽出した。
• 対称および反対称バイアス設定を用いて、鎖全体にわたる逐次的CARおよびECT過程を区別した。
• ゲート電圧（VQD1、VQD2、VQD3）の関数としての電流応答を分析し、化学ポテンシャルの異なる条件下でのCARおよびECTのシグナチャーを特定した。

Fig. 1: a. False-colored scanning electron micrograph of the measured device. An InSb nanowire (green) is deposited on top of 11 finger gates (red) and it is contacted with two superconducting leads S 1 and S 2 (blue) and two normal leads $\mathrm{N}_{\textrm{L}}$ and $\mathrm{N}_{\textrm{R}}$ (yell

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3サイトKitaev鎖における隣接する量子ドット間で、交差Andreev反射（CAR）および弾性共トンネル（ECT）を同時に観測できるか？
• RQ2 零磁場下において、CARおよびECT過程が3量子ドット鎖を介して輸送をどのように媒介するか？
• RQ3 全3つの量子ドットにわたる逐次的CARおよびECT過程が、実験的に解明され、区別可能か？
• RQ4 CARおよびECTが支配的になる条件は何か。また、それらは量子ドットの化学ポテンシャルの整合性にどのように依存するか？
• RQ5 本3サイトデバイスは、トポロジカル超伝導および長距離もつれの実現のためのスケーラブルなプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• QD1–QD2およびQD2–QD3間で明確なシグナチャーを示す対ごとの交差Andreev反射（CAR）および弾性共トンネル（ECT）が観測され、全端子における電流応答に顕著に現れた。
• 3つの量子ドットのキャパシタンスエネルギーはそれぞれ4 mV、3.5 mV、3.3 mVであり、レバーアームは約0.32、0.33、0.31であった。
• 化学ポテンシャルμ1 = μ2 = μ3の条件下で、電流マップに正の傾きの対角線が観測され、これはECTの逐次的過程を示した。これは反対称バイアス下でのI_LおよびI_Rに顕著に現れた。
• 同じ条件下で、すべての電流マップに負の傾きの対角線が観測され、これはμ1 = -μ2 = μ3に一致するCARの逐次的過程を示した。
• 対称バイアス（V_L = V_R）下で、I_S2の電流応答によりECT followed by CAR、I_S1の応答によりCAR followed by ECTが区別された。
• QDの化学ポテンシャルの調整により、輸送経路を完全に制御でき、トポロジカル超伝導のためのより長い鎖への拡張可能性が確認された。

Fig. 2: a., b. Schematic diagrams of CAR and ECT processes between $\mathrm{QD}_{1}$ and $\mathrm{QD}_{2}$ . CAR is measured by applying $V_{\mathrm{b}}$ on $\mathrm{N}_{\textrm{L}}$ and $V_{\mathrm{b}}+\Delta/e$ on $\mathrm{S}_{\textrm{2}}$ (panel a). ECT is measured by applying $V_{\mathrm{b}}$ on