[論文レビュー] Electronic Transport in Double-Nanowire Superconducting Islands with Multiple Terminals

Alexandros Vekris, Juan Carlos Estrada Saldaña+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 66被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、共通の準粒子状態がハイブリッド構造全体にわたって拡張された、ゲートで調整可能で、クーロン遮断効果を示すマルチターミナル二重ナノワイヤー超伝導島を実証した。イン situ に成長した InAs/Al ナノワイヤーを用いて、すべての端子ペア間で同一のクーロン遮断ピーク間隔が観測され、輸送を支配する一様で局在化しない束縛状態が存在することが確認された。準粒子の汚染は観察されなかった。

ABSTRACT

We characterize in-situ grown parallel nanowires bridged by a superconducting island. The magnetic-field and temperature dependence of Coulomb blockade peaks measured across different pairs of nanowire ends are consistent with a sub-gap state extended over the hybrid parallel-nanowire island. Being gate-tunable, accessible by multiple terminals and free of quasiparticle poisoning, these nanowires show promise for the implementation of several proposals that rely on parallel nanowire platforms.

研究の動機と目的

• イン サイ ト に 成長 させた二重 InAs ナノワイヤーを用いたマルチターミナル超伝導島の実現と特性評価。
• 複数の電気的接触を有するハイブリッドナノワイヤー・プラットフォームにおける準粒子状態の存在と性質の調査。
• 島全体にわたって拡張された共通の束縛状態が存在するかを、マルチターミナル輸送測定を用いて同定すること。
• トポロジカル量子計算に適した系において、ゲートで調整可能で準粒子汚染に強く、安定した輸送を実証すること。
• 四つのトンネル結合したリードを有する超伝導島において、非局在的で拡張された準粒子状態の実験的証明を提供すること。

提案手法

• 制御された間隔と直径を有する平行な InAs ナノワイヤーのイン サイ ト に 成長 させた分子線エpitaxial法を用いた、超伝導島の形成。
• 電子ビームリソグラフィーと選択的エッチングを用いて、300 nm 長の超伝導島を定義し、4つの金属的接触（T1–T4）とゲート電極（Vg1–Vg4）を形成。
• 異なるゲート電圧（Visland）および磁場の下で、6つの二端子配置における微分伝導度（dI/dV）の測定。
• 偶数状態と奇数状態の自由エネルギー差に基づく熱的モデルを用いて、すべての端子ペア間で一貫して準粒子状態エネルギー（E0）を抽出。
• クーロン遮断ピーク間隔と磁場依存性の分析により、共通で拡張された準粒子状態の存在を推論。
• 充電エネルギーを記述する放物型エネルギーモデル（E(N0) = e²/2C × (N0 − N0)²）を用い、E0 を奇数電子占有状態における準粒子状態のエネルギーと定義。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 四つのトンネル結合したリードを有する二重ナノワイヤー超伝導島において、一様で共通の準粒子状態が存在し、島全体にわたって拡張しているか？
• RQ2 異なる二端子コンビネーション間のクーロン遮断ピーク間隔が、一様な束縛状態に起因する非局在的性質を示しているか？
• RQ3 充電エネルギーの熱的モデルを用いて、複数の端子ペアから一貫して準粒子状態エネルギーを抽出できるか？
• RQ4 輸送特性に準粒子汚染が存在せず、安定でコherentな測定が可能か？
• RQ5 ピークの磁場および温度依存性は、非局在的で拡張された束縛状態の存在をどのように支持するか？

主な発見

• デバイス A において、6つの二端子配置すべてで同一のクーロン遮断ピーク間隔が観測され、4つのナノワイヤー端にすべて結合する共通の準粒子状態が存在することを示した。
• 抽出された準粒子束縛状態エネルギー（E0）は、すべての端子ペアおよびゲート設定で一貫しており、E0 ≈ 0.2 meV であった。これは一様で拡張された状態を支持する。
• ピークの磁場および温度依存性は、準粒子状態の理論的期待値と一致し、局在化を引き起こす摂動の兆候は観察されなかった。
• デバイス B では、準粒子汚染なしに二電子充電が観測され、島内に長寿命でコherentな電荷状態が存在することを確認した。
• 島の電荷およびすべての端子への結合がゲートで調整可能であり、準粒子状態の占有状態を制御可能であることが示された。
• 高い結合非対称性を持つ設定（例：設定 II）において追加のピークが観測されなかったことから、複数の局在化した状態の存在が否定され、一様で拡散した束縛状態が優勢であることが支持された。