[論文レビュー] Triplet correlations in Cooper pair splitters realized in a two-dimensional electron gas

Qingzhen Wang, Sebastiaan L. D. ten Haaf+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 35被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、2つの量子ドットが超伝導体に結合した半導体InSbAsヘテロ構造を用いた2次元電子系（2DEG）において、コープアー対分割（CPS）の観測を初めて実現した。磁場を印加して量子ドットをスピンフィルター化することで、反対スピンのsinglet（反対スピン）および同じスピンのtriplet（等スピン）ペアリングチャネルを解消し、強いスピン軌道結合のおかげで両者の振幅がほぼ同等であることが明らかになった。CPS効率は90%を超えて達成され、人工キタエフ鎖の実現に不可欠なチューナブルな交差アンドレーエフ反射と弾性共トンネル効果が可能となった。

ABSTRACT

Cooper pairs occupy the ground state of superconductors and are typically composed of maximally entangled electrons with opposite spin. In order to study the spin and entanglement properties of these electrons, one must separate them spatially via a process known as Cooper pair splitting (CPS). Here we provide the first demonstration of CPS in a semiconductor two-dimensional electron gas (2DEG). By coupling two quantum dots to a superconductor-semiconductor hybrid region we achieve efficient Cooper pair splitting, and clearly distinguish it from other local and non-local processes. When the spin degeneracy of the dots is lifted, they can be operated as spin-filters to obtain information about the spin of the electrons forming the Cooper pair. Not only do we observe a near perfect splitting of Cooper pairs into opposite-spin electrons (i.e. conventional singlet pairing), but also into equal-spin electrons, thus achieving triplet correlations between the quantum dots. Importantly, the exceptionally large spin-orbit interaction in our 2DEGs results in a strong triplet component, comparable in amplitude to the singlet pairing. The demonstration of CPS in a scalable and flexible platform provides a credible route to study on-chip entanglement and topological superconductivity in the form of artificial Kitaev chains.

研究の動機と目的

• 1次元系よりも設計の自由度が高い2次元電子系（2DEG）を用いたコープアー対分割（CPS）の実証。
• 通常のアンドレーエフ反射などの局所的プロセスと区別して、交差アンドレーエフ反射（CAR）と弾性共トンネル（ECT）プロセスを分離・特定すること。
• 磁場を印加した状態で量子ドットをスピンフィルターとして用い、コープアー対のスピンおよびもつれ状態をプローブすること。
• 強いスピン軌道結合を有する2DEGにおいて、singletおよびtripletペアリングチャネルの共存とチューナビリティを調査すること。
• 人工キタエフ鎖を実現し、トポロジカル超伝導性を研究するためのスケーラブルなプラットフォームを確立すること。

提案手法

• エpitaxialアルミニウムを用いたInSbAs 2DEGを用いて、超伝導体・半導体ハイブリッド領域に結合した2つの量子ドット（QDLおよびQDR）を統合したデバイスを製作した。
• 静電的ゲートを用いて量子ドットのエネルギー準位を電荷デゲネラシー点にチューニングし、強いクーロンブロッキングを確保し、単一電子トンネルを優先させる。
• 対称的および反対称的なバイアスを用いた3端子輸送測定を実施し、相関電流解析によってCAR（I_L = I_R）とECT（I_L = -I_R）を区別した。
• スピン縮退を解除し、量子ドットをスピンフィルターとして用いて、コープアー内の電子スピン状態の選択的検出を可能にした。
• CAR（正）とECT（負）を明確に特定できるように、相関電流 I_corr ≡ sgn(I_L I_R) ⋅ I_L I_R を計算した。
• 磁場の角度をスピン軌道場に対して変化させることで、CARとECTの相対的振幅を制御し、キタエフ鎖実現に不可欠な等しい振幅を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子系において、コープアー対分割が効率的に実現可能であり、局所的プロセスと明確に区別可能か？
• RQ2 強いスピン軌道結合を有する2DEGにおいて、singletおよびtripletペアリングチャネルが両方とも解消可能か？
• RQ3 2DEGプラットフォームにおいて、交差アンドレーエフ反射と弾性共トンネルの相対的振幅を等しくチューニング可能か？
• RQ4 2DEGにおける強いスピン軌道結合が、反対スピンと等スピンのコープアー対分割の寄与をほぼ同等にすることに寄与する程度はいかほどか？
• RQ5 この系は、人工キタエフ鎖を実現し、トポロジカル超伝導性を研究するためのスケーラブルなプラットフォームとして機能可能か？

主な発見

• 本研究では、2次元電子系におけるコープアー対分割の観測を初めて実証し、合算されたCPS効率が90%を超えた。
• 強いスピン軌道結合を有するInSbAs 2DEGのおかげで、反対スピンのsinglet（反対スピン）および等スピンのtriplet（等スピン）ペアリングチャネルが明確に解消され、両者の振幅がほぼ同等であった。
• 相関電流 I_corr はCAR（正）とECT（負）を明確に区別でき、輸送プロセスの非局所的性質を確認した。
• ゼロ磁場下ではスピンブロッキングが輸送を抑制し、CPSプロセスがスピンによって媒介されていることを裏付けた。
• 磁場の角度をスピン軌道場に対してチューニングすることで、CARとECTの振幅を等しく調整でき、キタエフ鎖実現に不可欠な条件を満たした。
• エネルギーおよびバイアス条件を満たさない場合の非相関信号の不在により、局所的プロセス（例：通常のアンドレーエフ反射）の抑制が確認された。