[論文レビュー] Spin-resolved spectroscopy using a quantum dot defined in InAs 2DEG

Alisa Danilenko, Andreas Pöschl+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、InAs/Alハイブリッドナノワイヤにサイドカップリングされた量子ドット（QD）を導入し、スピン分解トンネル分光法を実現した。磁場下におけるQD準位のゼーマン分裂を活用することで、スピンおよび電荷選択的プロービングが可能となり、相対的g因子と偏光が測定された。主な結果として、g因子が約1.7であるスピン分裂が得られ、Andreev束縛状態におけるスイングルートからダブルトンへの遷移の証拠が示された。

ABSTRACT

We realize a device, based on InAs two-dimensional electron gas proximitized by superconducting Al, which allows a single quantum dot level to be used as a spectrometer of the density of states in a nanowire. Applying a magnetic field parallel to the plane of the device causes the levels of the dot to split, enabling spin resolved spectroscopy. Using this method, we are able to study the spin and charge polarization of the allowed transport through sub-gap states which form in the nanowire and evolve with varying magnetic field and gate voltage.

研究の動機と目的

• 横方向に定義された量子ドットを用いて、ハイブリッド超伝導体・半導体ナノワイヤ内の準位に非侵襲的かつスピン分解型プローブを構築すること。
• Andreev束縛状態（ABSs）のスピンおよび電荷偏光を、磁場およびゲート電圧の変化に伴って測定すること。
• QD準位のゼーマン分裂を用いて、QDと準位状態の相対的なg因子の符号および大きさを特定すること。
• 完全なドーピング除去がなくても、多数電子を有するQD準位が効果的なスピンフィルターとして機能できることを示し、実用的なスピン分光法を実現すること。
• ゲート制御によりQDをオン／オフにすることで、標準的トンネル分光法と直接比較可能となるようにすること。

提案手法

• 2次元のInAs/Alヘテロ構造を電気的ゲートでパターン形成し、横方向のドーピング除去によって準一次元的超伝導ナノワイヤを形成する。
• スプリットゲート（DL、DR、H）を用いて、複数のプローブ位置にサイドカップリングされた量子ドットを形成し、ナノワイヤとの弱い結合を実現することで、非侵襲的プロービングを可能にする。
• ナノワイヤ軸に沿った磁場（B||）を印加することで、QDエネルギー準位のゼーマン分裂が誘発され、スピン選択的トンネル分光法が実現される。
• スピン分裂したQD準位を通る逐次トンネルを用いて、局所状態密度（DOS）のスピンアップおよびスピンダウン成分を分解して測定する。
• クーロン遮断測定とトンネル分光法を組み合わせ、ゲート電圧で化学ポテンシャルを制御しながらスピンおよび電荷偏光を抽出する。
• QD関連のすべてのゲートを0 Vに設定することでQDをオフにし、従来のトンネル分光法と直接比較可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横方向に定義された量子ドットは、ハイブリッドナノワイヤ内の準位にスピン分解型分光計として機能できるか？
• RQ2 Andreev束縛状態のg因子とQDのg因子の相対的な符号および大きさは何か？
• RQ3 スピンおよび電荷偏光は、磁場およびゲート電圧の変化に伴ってどのように変化するか？
• RQ4 完全なドーピング除去がなくても、偶数・奇数電子数の状態を持つ多数電子QD準位は、効果的なスピンフィルターとして機能できるか？
• RQ5 スピン軌道相互作用は、系における観測されたスピンおよび電荷偏光にどのように影響を与えるか？

主な発見

• QDベースの分光計により、システムのg因子が約1.7に測定され、QPCベースのトンネル測定と整合的である。
• QD準位のゼーマン分裂により、局所状態密度のスピンアップおよびスピンダウン成分への分離的アクセスが可能となった。
• QDと準位状態のg因子の相対的符号が特定され、スイングルートからダブルトンへの遷移のシナリオを支持する結果が得られた。
• スピンおよび電荷偏光の測定結果は、磁場に伴い滑らかに変化しており、強いスピン軌道相互作用を示唆している。
• ギャップ内に束縛状態の明確なスピン分裂が観測され、磁場下で反交差（anticrossing）行動が観察された。
• 本手法により、スピンおよび電荷偏光の定量的抽出が可能となり、準位状態のスピンテクスチャーやパリティをプローブするための新たなツールが提供された。