[論文レビュー] Entangling electrons by splitting Cooper pairs: Two-particle conductance resonance and time coincidence measurements

Anindya Das, Yuval Ronen+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2012

Quantum and electron transport phenomena参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、クーパー対のほぼ100%の効率的分裂を、超伝導アルミニウム-InAsナノワイヤデバイスで実現した。量子ドットを用いて直接アンドレエフ反射を抑制することで、分裂クーパー対から生じるもつれ電子対の直接的証明が得られた。電流フラクチュエーションの正のクロス相関および非局所的コンダクタンスの測定により、もつれ電子対の発生が裏付けられ、ショットノイズおよび磁場による超伝導性の消去によって実験的確認がなされた。

ABSTRACT

Entanglement, being at the heart of the Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox, is a necessary ingredient in processing quantum information. Cooper pairs in superconductors - being composites of two fully entangled electrons - can be split adiabatically, thus forming entangled electrons. We fabricated such electron splitter by contacting an aluminum superconductor strip at the center of a suspended InAs nanowire; terminated at both ends with two normal metallic drains. Intercepting each half of the nanowire by gate - induced Coulomb blockaded quantum dot strongly impeded the flow of Cooper pairs due to large charging energy, while still permitting passage of single electrons. Here, we provide conclusive evidence of extremely high efficiency Cooper pairs splitting via observing positive average (conductance) and time (shot noise) correlations of the split electrons in the two opposite drains of the nanowire. Moreover, The actual charge of the injected quasiparticles was verified by shot noise measurements.

研究の動機と目的

• 超伝導体におけるクーパー対の分裂によって生成されるもつれ電子対の決定的実験的証明を提供すること。
• コロンブブロックレート量子ドットを用いて、通常金属リードに接続された量子ドットのコントロールにより、直接アンドレエフ反射およびバックグラウンドクーパー対輸送を抑制すること。
• 非局所的コンダクタンスおよび電流フラクチュエーションのクロス相関を、一貫性のあるもつれ電子放出の兆候として測定すること。
• ショットノイズ測定により、注入された準粒子の電荷を確認し、古典的相関の存在を排除すること。
• 磁場を用いた超伝導性の消去により、正のクロス相関が消失することを示し、それらがクーパー対分裂に起因することを確認すること。

提案手法

• 中央部にアルミニウム超伝導体接触を有する、浮遊型InAsナノワイヤデバイスをフォーマットし、それぞれがゲートで調整可能な量子ドットを有する2つの通常金属ゴールドドレインを設けた。
• グローバルゲートおよびローカルゲートを用いて、2つの空間的に分離された量子ドットを形成し、単一電子輸送の制御およびクーパー対輸送の抑制を可能にした。
• ゲート電圧およびソース・ドレインバイアの関数として微分コンダクタンスを用いて非局所的コンダクタンスを測定し、ファブリ・ペロー干渉とアンドレエフ反射の特徴を観測した。
• 低温電流アンプおよび冷やされたプリアンプ（1K）を用い、725 kHzに調諧されたLC共振回路を介して電流フラクチュエーションをフィルタリングおよび増幅した。
• アナログ信号乗算器を用いて725 kHzでショットノイズのクロス相関を測定し、2つのドレインにおける電流フラクチュエーションの正のクロス相関を検出した。
• 垂直方向の磁場（約0.2 T）を印けて超伝導性を消去し、クロス相関のクーパー対のコherenecの依存性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導体におけるクーパー対の分裂が、非局所的かつ相関のある輸送を示すもつれ電子対を生成できるか？
• RQ2 コロンブブロックレート領域における量子ドットが、直接アンドレエフ反射を効果的に抑制し、分裂クーパー対の寄与を分離できるか？
• RQ3 クーパー対の分裂後に、2つの空間的に分離された通常金属リード間で測定可能な正の電流フラクチュエーションのクロス相関が存在するか？
• RQ4 磁場を用いて超伝導性を消去した際に、正のクロス相関が消失するか。これにより、その起源が一貫性のあるクーパー対分裂に起因することを確認できるか？
• RQ5 非局所的コンダクタンスおよびショットノイズのクロス相関測定から、クーパー対分裂の効率はどの程度か？

主な発見

• 2つの通常金属ドレイン間で電流フラクチュエーションの正のクロス相関が観測され、信号強度は約7–10 × 10⁻²⁹ A²/Hzに達し、理論的予想値（約1.7 × 10⁻²⁹ A²/Hz）を著しく上回った。
• 非局所的コンダクタンス測定では、特定のゲート電圧で共鳴ピークが観測され、ΔGLおよびΔGRが一貫性のある輸送を示した。また、0.2 Tの磁場を印加すると非局所的コンダクタンスが抑制された。
• 分裂効率（単一電子輸送対二電子輸送の比）は最大で約100%に達し、ほぼ理想のクーパー対分裂を示した。
• ショットノイズ測定により、注入された準粒子の実際の電荷が確認され、観測されたクロス相関は古典的ノイズ源を排除した。
• 0.2 Tの磁場を印加した際、正のクロス相関が消失した。これにより、この効果が超伝導的クーパー対分裂に起因するものであり、他の輸送メカニズムによるものではないことが確認された。
• 理論的期待とは対照的に、ΔGLがΔGRよりも大きいことが判明した。これは、結合した量子ドットにおける電荷フラクチュエーションに起因する位相崩壊効果または二電子輸送の非対称性を示唆している。