[論文レビュー] Dominant non-local superconducting proximity effect due to electron-electron interaction in a ballistic double nanowire

Kento Ueda, Sadashige Matsuo+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ボールスティックな InAs 双重ナノワイヤージョセフソン接合において、電子-電子相互作用が一次元電子系で局所的対トンネルを抑制し、コープァー対分割（CPS）を強化する支配的非局所的超伝導プロキシミティ効果を示した。観測されたスイッチング電流が両方のワイヤーに及ぶと、個々の電流の合計を上回り、非局所的超伝導性が局所的対形成を上回ることを示しており、特に非局所的結合に大きな超伝導ギャップが存在する。これは、外部磁場を必要としない時間反転不変的トポロジカル超伝導性およびクレマー対のマヨラナフェルミオンを実現する上で重要な条件を満たしている。

ABSTRACT

Cooper pair splitting (CPS) can induce non-local correlation between two normal conductors coupling to a superconductor. CPS into a double one-dimensional electron gas is an appropriate platform for extracting large amount of entangled electron pairs and one of the key ingredients for engineering Majorana Fermions with no magnetic field. Here we study CPS using a Josephson junction of a gate-tunable ballistic InAs double nanowire. The measured switching current into the two nanowires significantly larger than sum of that into the respective nanowires, indicating the inter-wire superconductivity dominant compared to the intra-wire superconductivity. From dependence on the number of propagating channels in the nanowires, the observed CPS is assigned to one-dimensional electron-electron interaction. Our results will pave the way for utilizing one-dimensional electron-electron interaction to reveal physics of high-efficient CPS and engineer Majorana Fermions in double nanowire systems via CPS.

研究の動機と目的

• 局所的対トンネル（LPT）が抑制されたボールスティックな二重ナノワイヤーシステムにおける高効率なコープァー対分割（CPS）の実証。
• 一次元電子系における電子-電子相互作用が、局所的相関よりも非局所的超伝導相関を支配的かつ強化できるかどうかの調査。
• 時間反転不変的トポロジカル超伝導性に不可欠な条件である、非局所的超伝導性が局所的超伝導性を上回ることの検証。
• 外部磁場が強く必要ない条件下でマヨラナフェルミオンを工学的に設計するためのプラットフォームの提供。

提案手法

• 20 nm 離隔の2つのAl電極を有する、ゲート可変なボールスティックな InAs 双重ナノワイヤー（DNW）ジョセフソン接合の作製。
• ゲート電圧および磁場の関数として、両ナノワイヤーにおけるスイッチング電流を測定し、超伝導プロキシミティ効果を調査。
• ジョセフソン接合の特性を用いて、IcRn積分析により、局所的および非局所的プロキシミティ効果の超伝導ギャップエネルギーを抽出。
• 伝搬モード数依存性を分析することで、一次元電子-電子相互作用の役割を同定。
• トモナガ＝ラッティン液体モデルを超伝導体に結合させた理論的モデルを用いて、測定された CPS 捐献と LPT を比較。
• ゲート可変輸送測定を用いて、非局所的相関と局所的相関を分離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ナノワイヤー内の一次元電子-電子相互作用は、局所的対トンネルを抑制し、非局所的コープァー対分割を強化できるか？
• RQ2 ボールスティックな二重ナノワイヤージョセフソン接合において、非局所的超伝導プロキシミティ効果が局所的効果を上回るか？
• RQ3 観測された非局所的超伝導相関は、局所的相関よりも大きな超伝導ギャップを示すか？これはトポロジカル超伝導性に有利な条件を示唆する。
• RQ4 一次元系における電子-電子相互作用は、トンネル結合や量子ドットの静電的特性に依存せず、高効率な CPS の支配的メカニズムとして機能できるか？

主な発見

• 両ナノワイヤーへのスイッチング電流が個々のスイッチング電流の合計を上回り、支配的非局所的超伝導プロキシミティ効果を示している。
• IcRn から導出された非局所的超伝導ギャップは、局所的ギャップよりも大きいことが確認され、時間反転不変的トポロジカル超伝導性に不可欠な条件を満たしている。
• 観測された CPS は、伝搬モード数依存性から、一次元電子-電子相互作用に起因すると特定された。
• 強い電子-電子反発により、クーロン相互作用がスクリーニングされ、非局所的もつれが強化されるため、局所的対トンネルが抑制されている。
• 強いトンネル障壁や大きな量子ドットの充電エネルギーを必要とせず、高効率な CPS と LPT の比が実現された。
• 本研究は、外部磁場を必要としない条件下で、二重ナノワイヤーを用いたマヨラナフェルミオンの工学的設計のための新たなプラットフォームを確立した。