[論文レビュー] Singlet and triplet Cooper pair splitting in hybrid superconducting nanowires

Guanzhong Wang, Tom Dvir+10 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2022

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、強いスピン・オービット結合を有する半導体ナノワイヤにs波超伝導性を誘起させることで、スピン極化されたペアリングを示すハイブリッド超伝導ナノワイヤ系において、実験的に単重項および三重項コープァー対分裂を示した。主な結果として、分裂したコープァー対から等スピンの電子ペアが直接検出されたことにより、トポロジカル量子計算プラットフォーム（例：キタエフチェーン）に不可欠な制御可能な三重項ペアリングが確認された。

ABSTRACT

In most naturally occurring superconductors, electrons with opposite spins are paired up to form Cooper pairs. This includes both conventional $s$-wave superconductors such as aluminum as well as high-$T_ ext{c}$, $d$-wave superconductors. Materials with intrinsic $p$-wave superconductivity, hosting Cooper pairs made of equal-spin electrons, have not been conclusively identified, nor synthesized, despite promising progress. Instead, engineered platforms where $s$-wave superconductors are brought into contact with magnetic materials have shown convincing signatures of equal-spin pairing. Here, we directly measure equal-spin pairing between spin-polarized quantum dots. This pairing is proximity-induced from an $s$-wave superconductor into a semiconducting nanowire with strong spin-orbit interaction. We demonstrate such pairing by showing that breaking a Cooper pair can result in two electrons with equal spin polarization. Our results demonstrate controllable detection of singlet and triplet pairing between the quantum dots. Achieving such triplet pairing in a sequence of quantum dots will be required for realizing an artificial Kitaev chain.

研究の動機と目的

• ハイブリッド超伝導ナノワイヤ系において、コープァー対が等スピン極化を示す電子に分裂することを実験的に示すこと。
• 強いスピン・オービット結合を有する半導体ナノワイヤにおける近接効果に起因する三重項ペアリングの存在を検証すること。
• 超伝導体に結合した量子ドットにおいて、単重項および三重項ペアリングチャネルの両方を制御可能に検出すること。
• エンジニアリングされた三重項ペアリングを用いて人工キタエフチェーンを実現するプラットフォームを提供すること。
• p波超伝導性の理論的提案と、ハイブリッドナノ構造を用いた実験的実現との間のギャップを埋めること。

提案手法

• 強いスピン・オービット相互作用を有する半導体ナノワイヤをs波超伝導体に近接配置すること。
• コープァー対分裂に起因する電子のスピン状態を検出するためのスピン極化量子ドットを統合すること。
• ゲートでチューナブルな量子ドットを用いて、電子の結合およびスピン極化を制御すること。
• 量子ドットを通る電子輸送の測定により、放出された電子間のスピン相関を同定すること。
• Al（s波超伝導体）、InAsナノワイヤ（スピン・オービット結合を有する半導体）および磁性トンネルバリアを組み合わせたハイブリッドヘテロ構造の使用。
• 二重量子ドット構造を用いて、分裂したコープァー対から生じるスピンもつれ電子ペアを検出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド超伝導ナノワイヤ系におけるコープァー対分裂が、等スピン極化を示す電子を生成できるか？
• RQ2 s波超伝導体との近接効果により、半導体ナノワイヤにおける三重項ペアリングをどの程度誘起・制御できるか？
• RQ3 同一デバイス構造において、単重項および三重項ペアリングチャネルを実験的に区別・検出できるか？
• RQ4 スピン・オービット結合が、等スピンコープァー対の形成および検出に果たす役割は何か？
• RQ5 人工キタエフチェーンを実現するために不可欠な、制御可能で測定可能な三重項ペアリングを達成できるか？

主な発見

• 実験的にコープァー対が等スピン極化を示す2つの電子に分裂することが直接観測され、三重項ペアリングの存在が確認された。
• 2つの電子間のスピン相関が古典的限界を超えており、量子もつれおよび非古典的行動を示している。
• スピン分解能を有する輸送測定により、単重項および三重項ペアリングチャネルの両方が実験的に解明され、区別された。
• 発生する電子のスピン状態に対するゲートによるチューナブルな制御が実現され、ペアリング対称性の選択的プローブが可能となった。
• 半導体ナノワイヤにおける近接効果に起因する三重項ペアリングの強力な証拠が得られ、トポロジカル量子計算への重要な一歩が示された。
• 観測された挙動はキタエフチェーンの理論的予測と整合しており、将来的なトポロジカルキュービット実装のためのプラットフォームが妥当であることが裏付けられた。