[論文レビュー] Supercurrent through a spin-split quasi-ballistic point contact in an InAs nanowire

Juan Carlos Estrada Saldaña, Rok Žitko+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 34被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、強いスピンオービット結合とゼーマン効果によるスピン分離を示す準平衡的InAsナノワイヤージョセフソン接合における超電流の非単調な磁場依存性を示した。臨界電流はゼロからπへの位相遷移で消失し、より高い磁場で回復するが、これはKondoスクリーニングとスピン偏極二重項状態の競合として解釈され、数値的縮約化群(NRG)計算と電導量子化測定によって裏付けられた。

ABSTRACT

We study the superconducting proximity effect in an InAs nanowire contacted by Ta-based superconducting electrodes. Using local bottom gates, we control the potential landscape along the nanowire, tuning its conductance to a quasi-ballistic regime. At high magnetic field ($B$), we observe approximately quantized conductance plateaus associated with the first two spin-polarized one-dimensional modes. For $B < 1$ T, the onset of superconductivity occurs in concomitance with the development of sizeable charge localization leading to a 0.7-type conductance anomaly. In this regime, the proximity supercurrent exhibits an unusual, non-monotonic $B$ dependence. We interpret this finding in terms of a competition between the Kondo effect, dominating near $B=0$, and the Zeeman effect, enforcing spin polarization and the emergence of a $π$ phase shift in the Josephson relation at higher $B$.

研究の動機と目的

• 高磁場下におけるスピン分離を示す準平衡的InAsナノワイヤーにおける超伝導近接効果を調査すること。
• 超伝導接点を有する一次元半導体ナノワイヤーにおけるKondo効果とゼーマン効果によるスピン偏極の相乗作用を調査すること。
• スピン分離単一準位輸送を示すジョセフソン接合における臨界電流の非単調な磁場依存性を観測し、解釈すること。
• 電導異常（0.7型）と超電流の抑制／回復との間のリンクを、量子位相遷移を介して確立すること。

提案手法

• ゲート制御可能なTaベースの超伝導接点を有するゲートチューナブルなInAsナノワイヤー素子を製作し、ポテンシャル障壁を制御するための二重ボトムゲートを設けた。
• 局所的ボトムゲートを用いてナノワイヤーを準平衡的状態にチューニングし、$0.9e^2/h$ および $1.8e^2/h$ の概ね量子化された電導プラトーを達成した。
• 系列抵抗 $R_s$ の補正を施した上で、磁場およびゲート電圧の関数として通常状態の電導および超電流を測定した。
• 熱雑音および複数のアンドレーエフ反射を含む補正済みRCSJモデルを用い、$dI/dV$ データから臨界電流 $I_c$ を抽出した。
• ゲート依存のトンネル結合を有するアンドリュー型モデルを用いた数値的縮約化群(NRG)計算を行い、超電流および電導をシミュレートした。
• B=0 TにおけるBCSピーク間隔から抽出した超伝導ギャップ $\Delta = 0.08$ meV は、Ta膜の $T_c$ と整合的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン分離が誘導される条件下で、準平衡的InAsナノワイヤージョセフソン接合における超電流は、磁場が変化するにつれてどのように振る舞うか？
• RQ2 実験で観測された臨界電流の非単調な磁場依存性の原因は何か？
• RQ3 低磁場領域における0.7型電導異常は、超電流の抑制および再発現とどの程度相関しているか？
• RQ4 観測された臨界電流の挙動は、スピンシングレットからスピン二重項基底状態への量子位相遷移によって説明可能か？
• RQ5 Kondo効果とゼーマン分裂の競合は、強いスピンオービット結合を示す一次元ナノワイヤーにおけるジョセフソン位相にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 超電流は磁場に対して非単調な依存性を示し、ゼロからπへの位相遷移が起こる臨界磁場で消失する。
• 高磁場領域（$B > 1$ T）では、$0.9e^2/h$ および $1.8e^2/h$ の電導プラトーが、スピン偏極一次元モードの存在を確認する。
• 低磁場領域（$B < 1$ T）では、電荷局在により0.7型電導異常が出現し、超伝導の発現と同時に現れる。
• 臨界磁場領域で、ゼーマン分裂がスピン1/2二重項基底状態を安定化させることで、超電流が回復し、ジョセフソン関係においてπ位相シフトが生じる。
• NRGシミュレーションは実験的 $I_c(B)$ 曲線を再現し、スピンシングレット（0位相）からスピン二重項（$\pi$-位相）への基底状態遷移を確認した。
• 超電流は電導において狭いゼロバイアスピークとして現れ、幅は数$\mu$eVのオーダーであり、$T = 15$ mKにおける熱エネルギーと同等の小さなジョセフソンエネルギーと整合的である。