[論文レビュー] Nonlocal conductance spectroscopy of Andreev bound states in gate-defined InAs/Al nanowires

Andreas Pöschl, Alisa Danilenko+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ゲートで定義されたInAs/Alナノワイヤを用いて、非局所的コンダクタンス分光法を用い、アンドレーエフ束縛状態（ABSs）の電荷特性を調べた。側方的に結合されたプローブを介して局所的および非局所的トンネル応答を測定したところ、ゲート電圧に応じてABSの電荷がゼロの周りで振動することが観測され、これらの状態におけるBCSに類似した全電荷の理論的予測が裏付けられた。エネルギーの最小値および準位のクロスオーバー付近で、負から正への明確な電荷の変化が観察された。

ABSTRACT

The charge character of Andreev bound states (ABSs) in a three-terminal semiconductor-superconductor hybrid nanowire was measured using local and nonlocal tunneling spectroscopy. The device is fabricated using an epitaxial InAs/Al two-dimensional heterostructure with several gate-defined side probes. ABSs are found to oscillate around zero as a function of gate voltage, with modifications of their charge consistent with theoretical expectations for the total Bardeen-Cooper- Schrieffer (BCS) charge of ABSs.

研究の動機と目的

• 半導体-超伝導体ハイブリッドナノワイヤにおけるアンドレーエフ束縛状態（ABSs）の電荷特性を実験的に調べること。
• 三端子構造において、静電的ゲート制御によってABSの電荷がどのように変化するかを調査すること。
• 非局所的トンネル測定を用いて、ABSのBCSに類似した全電荷に関する理論的予測を検証すること。
• 電荷およびコンダクタンスの特徴を用いて、自明な状態とトポロジカルな超伝導相を区別すること。

提案手法

• エpitaxialなInAs/Al二元的ヘテロ構造を用い、ゲートで定義された横方向のプローブを有する三端子デバイスをフォーミングした。
• Ti/AuゲートとHfOx誘電体を用いて、トンネル障壁を制御する局所的および非局所的トンネル分光法を採用した。
• 変化するゲート電圧（V_WM）の下で、印加されたソース・ドレイン電圧（V_SD）に対する微分コンダクタンス応答（I_L, I_R）を測定した。
• 非局所コンダクタンスG_LRおよびG_RLの非対称成分と対称成分の比から、電荷特性Q_jを抽出した。
• Q_jをゲート電圧で積分し、レバーアームを用いてスケーリングすることで、全ABS電荷およびエネルギーの変化を推定した。
• ゼロおよび有限の面内磁場下での比較により、超伝導的およびトポロジカルな特徴を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲートで定義されたInAs/Alナノワイヤにおいて、アンドレーエフ束縛状態の電荷特性は、静電的ゲート電圧にどのように依存するか？
• RQ2 非局所的コンダクタンス分光法は、三端子構造におけるアンドレーエフ束縛状態の全BCS電荷を解像可能か？
• RQ3 コンダクタンスおよび電荷応答に現れるどのような特徴がトポロジカル相転移を示唆するか？
• RQ4 準位クロスオーバーおよびエネルギー最小値は、ABSの電荷変化にどのように現れるか？
• RQ5 実験的に得られたQ_j値は、実際の束縛状態エネルギーとどの程度相関しているか？

主な発見

• 抽出されたABSの電荷Q_jは、状態のエネルギー最小値付近で、理論的予測と一致するように、負から正への連続的かつ滑らかなクロスオーバーを示した。
• V_SD ≈ 0.2 mV付近の準位クロスオーバーでは、Q_jが正から負に急激に変化し、電荷特性の主導的性質の変化を示した。
• Q_jが正の領域は、ゲート電圧V_WMに対するABSエネルギーの勾配が正である領域と一致し、逆にQ_jが負の領域では勾配が負である。
• Q_LおよびQ_Rの積分値は、広い範囲のゲート電圧において、推定された束縛状態エネルギーとよく一致しており、これらが全ABS電荷に比例することを確認した。
• 高磁場（1.7 T）下では、Q_jの値が実際の状態エネルギーと相関が低下しており、V_SD = 0 V付近でのノイズおよび小さな信号の影響が原因であると推定された。
• 非局所コンダクタンス応答は理論モデルと整合する対称性を示し、G_sumの合計は期待されるサブギャップコンダクタンス挙動と一致した。