[論文レビュー] Theory of Andreev Blockade in a Double Quantum Dot with a Superconducting Lead

David Pekker, Po Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超伝導リードに接続された二重量子ドットにおけるアンドレーエブブロッキングを提案する。ここでは、角運動量保存則によりスピン三重項状態にある二つの電子がコープアー対を形成できない。パウリブロッキングとは異なり、超伝導体に隣接するドットの占有状態にかかわらず発生し、準粒子が超伝導体に進入することで解除される。これは、ハードギャップ超伝導体-半導体デバイスにおいて、電荷安定性図に特徴的な輸送シグネチャーを示すため、観測可能である。

ABSTRACT

A normal metal source reservoir can load two electrons onto a double quantum dot in the spin-triplet configuration. We show that if the drain lead of the dot is a spin-singlet superconductor, these electrons cannot form a Cooper pair and are blockaded on the double dot. We call this phenomenon Andreev blockade because it arises due to suppressed Andreev reflections. We identify transport characteristics unique to Andreev blockade. Most significantly, it occurs for any occupation of the dot adjacent to the superconductor, in contrast with the well-studied Pauli blockade which requires odd occupations. Andreev blockade is lifted if quasiparticles are allowed to enter the superconducting lead, but it should be observable in the hard gap superconductor-semiconductor devices. A recent experiment tests this model and finds support for several predictions made here~[P. Zhang, H. Wu, J. Chen, S. A. Khan, P. Krogstrup, D. Pekker, and S. M. Frolov, arXiv:2102.03283 (2021)]. Andreev blockade should be considered in the design of topological quantum circuits, hybrid quantum bits and quantum emulators.

研究の動機と目的

• ハイブリッド超伝導量子ドット系におけるアンドレーエブ過程に特有の輸送ブロッキングメカニズムを調査すること。
• スピン三重項状態の形成によりアンドレーエブ反射が抑制される条件を特定すること。
• 電子占有の偶奇性とスピン状態依存性を分析することで、アンドレーエブブロッキングとパウリブロッキングを区別すること。
• 低バイアスおよびハード超伝導ギャップ条件下での、伝導度の三角形パターンといった観測可能な輸送特性を予測すること。
• トポロジカル量子回路およびハイブリッド量子ビットの設計を支援するため、アンドレーエブブロッキングを重要な効果として考慮すること。

提案手法

• 通常金属ソースとスピンsinglet超伝導ドレインに接続された二重量子ドットの理論的モデルを構築する。
• クーロンブロッキングおよび超伝導ペア形成を組み込んだ、マスター方程式を用いた電子トンネルおよびアンドレーエブ反射プロセスの記述。
• ゲート電圧空間（Vg1 対 Vg2）における電荷安定性図を用いて輸送を分析し、ドット占有状態の関数として伝導度をマッピングする。
• 超伝導体における粒子-hole対称性を組み込み、アンドレーエブブロッキングの偶奇依存性を説明する。
• トンネル率（Γ1, Γ2, Γ12）、充電エネルギー（U1, U2, U12）、超伝導ギャップ（Δ2）を含むパラメータを用いた数値シミュレーションを実施し、バイアス電圧 V1 = −V2 = 0.1 を設定する。
• ソース-ドレインバイアスが超伝導ギャップを超えると準粒子輸送が可能になり、ブロッキングの破壊が生じることを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン三重項状態に二つの電子が占有する二重量子ドットにおいて、超伝導リードが接続されている場合、アンドレーエブ反射が抑制されるか。
• RQ2 アンドレーエブブロッキングとパウリブロッキングは、占有依存性および対称性の観点でどのように異なるか。
• RQ3 アンドレーエブブロッキングの特徴的な輸送シグネチャーは、電荷安定性図にどのように現れるか。
• RQ4 アンドレーエブブロッキングはどのような条件下で破壊され、伝導度パターンにどのように影響を与えるか。
• RQ5 ハードギャップ超伝導体-半導体デバイスにおいてアンドレーエブブロッキングを観測可能か。また、その検出を支援する実験的パラメータは何か。

主な発見

• アンドレーエブブロッキングは、二重量子ドットの (1,odd)→(0,even) 電荷デゲネラシー点で発生し、パウリブロッキングよりも2倍頻度で現れる。
• 超伝導体における粒子-hole対称性により、ブロッキングは超伝導体に隣接するドットの占有の偶奇性にのみ敏感である。
• ソース-ドレインバイアスが超伝導ギャップ（Δ = 0.05U1）を超えると、安定性図に再び伝導度の三角形が現れ、アンドレーエブブロッキングの破壊を示している。
• この現象はハードギャップ超伝導体においても安定しており、準粒子が超伝導体に進入できるようになるとブロッキングが解除され、輸送が可能になる。
• 本モデルの予測は最近の実験で確認されており、二重量子ドットに超伝導リードを接続した系におけるアンドレーエブブロッキングの存在を支持している。
• アンドレーエブブロッキングは、量子干渉輸送に影響を与えるため、トポロジカル量子回路およびハイブリッド量子ビットの設計において考慮すべき重要な効果である。