[論文レビュー] Quantum capacitance of a superconducting subgap state in an electrostatically floating dot-island

Filip K. Malinowski, R. K. Rupesh+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、静電的に浮遊したInAsナノワイヤ量子ドットに形成された超伝導準位状態における量子キャパシタンスを調べるための電波周波数反射率技術を導入する。ドット島を共鳴器に容量結合することで、著者らは電荷遷移を測定し、『熱的スクリーニング』—準連続状態への熱励起によるキャパシタンスの抑制—を同定する。これは単一準位アンダーソン不純物模型により説明され、通常は不安定となる量子状態への安定したアクセスを可能にする。

ABSTRACT

We study a hybrid device defined in an InAs nanowire with an epitaxial Al shell that consists of a quantum dot in contact with a superconducting island. The device is electrically floating, prohibiting transport measurements, but providing access to states that would otherwise be highly excited and unstable. Radio-frequency reflectometry with lumped-element resonators couples capacitatively to the quantum dot, and detects the presence of discrete subgap states. We perform a detailed study of the case with no island states, but with quantum-dot-induced subgap states controlled by the tunnel coupling. When the gap to the quasi-continuum of the excited states is small, the capacitance loading the resonator is strongly suppressed by thermal excitations, an effect we dub "thermal screening". The resonance frequency shift and changes in the quality factor at charge transitions can be accounted for using a single-level Anderson impurity model. The established measurement method, as well as the analysis and simulation framework, are applicable to more complex hybrid devices such as Andreev molecules or Kitaev chains.

研究の動機と目的

• 電荷不安定性および準粒子汚染のため、従来の輸送法では到達できない超伝導量子ドット島系における準位状態を研究すること。
• ギャラボニックに分離されたデバイスにおいて、非侵襲的で容量に基づく測定技術として、電波周波数反射率を用いて離散的量子状態をプローブすること。
• 準連続状態の存在下で、熱励起が量子キャパシタンスを抑制する現象（「熱的スクリーニング」として命名）が果たす役割を同定すること。
• アンダーソン不純物模型とDMRGに基づく理論的・シミュレーション的フレームワークを構築し、系の反応的および散乱的応答を分析すること。

提案手法

• デバイスは、エpitaxial Alシェルを有するInAsナノワイヤから構成され、トンネル結合された量子ドットと超伝導島を形成し、ゲートで定義された障壁により全電荷が固定される。
• 電波周波数共鳴器が量子ドットプラッパー・ゲートに容量結合されており、共鳴周波数およびQファクターの変化を通じて電荷遷移を検出可能である。
• 系は単一準位アンダーソン不純物ハミルトニアンでモデル化され、密度行列密度行列縮約法（DMRG）を用いて解かれ、電荷感受率および緩和率が計算される。
• 反応的（容量的）応答は、即時の固有状態の電荷分散に起因する量子キャパシタンスであるのに対し、散乱はトンネル励起に起因する緩和（シジフィス抵抗）に起因する。
• データはゲート電圧の繰り返しスイープにより取得され、複数回の測定から合成データセットが作成され、デバイスの不安定性を軽減し、スイッチ起因のアーチファクトを排除する。
• 等価回路として集中定数RLC回路モデルが用いられ、反射係数から有効キャパシタンスおよび有効コンダクタンスが抽出され、信号対雑音比の向上を目的として完全なフィッティングが施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準連続状態への熱励起が、浮遊量子ドット島系における超伝導準位状態の量子キャパシタンスに及ぼす影響は何か？
• RQ2 輸送が禁止されているギャラボニックに分離されたデバイスにおいて、電波周波数反射率が離散的電荷遷移をどの程度検出可能か？
• RQ3 観測された共鳴周波数のシフトおよびQファクターの変化は、単一準位アンダーソン不純物模型により定量的に説明可能か？
• RQ4 このようなハイブリッド系において、全共鳴器負荷に及ぼす量子キャパシタンスとトンネルキャパシタンスの相対的寄与は何か？
• RQ5 準連続状態の存在が、準粒子汚染が存在しない状況下で、準位状態の安定性および検出可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 準連続状態へのエネルギーギャップが小さい場合、熱励起による励起状態の熱的分布が顕著に量子キャパシタンスを抑制する。
• 電荷遷移における共鳴周波数シフトおよびQファクター変化は、主に電荷感受率（量子キャパシタンス）に起因し、トンネルキャパシタンスに起因するものではない。
• 緩和プロセスに関連する有効コンダクタンス（シジフィス抵抗）は反応的応答よりも顕著に小さいが、共鳴器の散乱に明確な痕跡を残す。
• ゲート電圧のチューニングがほぼ単調となる二安定領域を示し、複数スイープにわたるデータ合成により安定した電荷安定性ダイアグラムの再構成が可能である。
• クーロンダイヤモンドから、ドットの充電エネルギー0.50 meVおよび島の充電エネルギー0.20 meVが抽出され、ドットのレバーアームはα = 0.82であった。
• キャパシタンスピークが合体しても、電導率の二ピーク構造が依然として残っており、個々の電荷遷移に特有の緩和ダイナミクスが存在することが示唆される。