[논문 리뷰] Andreev Blockade in a Double Quantum Dot with a Superconducting Lead

David Pekker, Sergey Frolov|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 스핀-싱เกlet 초전도체 리드에 연결된 이중 양자점에서, 스핀-트리플렛 전자가 양자점에서 Cooper 쌍을 형성할 수 없도록 억제된 Andreev 반사로 인해 발생하는 Andreev 차폐를 제안한다. 이 차폐는 초전도체 인터페이스에서 양자점의 전자 수에 관계없이 지속되며, 파울리 차폐와는 다름을 보이며 하이브리드 양자 장치에서 전자 이동을 제어하는 새로운 메커니즘을 제공한다.

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. Andreev blockade should be considered in the design of topological quantum circuits, hybrid quantum bits and quantum emulators.

연구 동기 및 목표

• 스핀-싱게렛 초전도체에 연결된 이중 양자점 시스템에서의 전자 이동 메커니즘을 조사하기 위해.
• 스핀-트리플렛 전자 구형으로 인해 억제된 Andreev 반사로 인해 발생하는 새로운 차폐 메커니즘을 규명하기 위해.
• 이 메커니즘을 홀수 전자 수가 필요한 파울리 차폐와 구별하기 위해.
• 하드 갭 초전도체-반도체 이방계에서 Andreev 차폐가 관측되고 해제되는 조건을 탐색하기 위해.
• Andreev 차폐가 토폴로지 양자 회로 및 하이브리드 양자 비트 설계에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 원천 리저보아가 일반 금속이고 드레인은 스핀-싱게렛 초전도체인 이중 양자점 시스템을 모델링하기 위해.
• 두 전자가 스핀-트리플렛 상태에서 양자점에 점유되어 있는 조건에서 전자 이동을 분석하기 위해.
• 초전도체 리드와의 스핀 불일치로 인해 Cooper 쌍 형성이 억제됨을 보여주기 위해 Andreev 반사 이론을 적용하기 위해.
• 비평형 그린 함수 방법을 사용하여 운반 특성을 계산하고 차폐 신호를 식별하기 위해.
• 특히 하드 갭 초전도체 시스템에서, 준입자 주입이 차폐를 해제하는 역할을 평가하기 위해.
• 차폐의 점유 의존성에서의 핵심적 차이점을 부각시키기 위해 Andreev 차폐 조건과 파울리 차폐 조건의 운반 거동을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 Andreev 반사 억제가 초전도체 리드를 가진 이중 양자점에서 전자 차폐를 유도하는가?
• RQ2 전자 점유 의존성 측면에서 Andreev 차폐와 파울리 차폐는 무엇이 다른가?
• RQ3 하드 갭 초전도체-반도체 이방계에서 Andreev 차폐는 어떤 조건에서 관측될 수 있는가?
• RQ4 준입자는 Andreev 차폐의 안정성과 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Andreev 차폐는 토폴로지 양자 회로 및 하이브리드 양자 비트 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Andreev 차폐는 이중 양자점의 두 전자가 스핀-트리플렛 상태에 있을 경우, 스핀-싱게렛 초전도체 리드와 Cooper 쌍을 형성할 수 없도록 억제된 Andreev 반사로 인해 발생한다.
• 이 차폐는 초전도체에 인접한 양자점의 점유 상태에 관계없이 발생하며, 파울리 차폐와 달리 홀수 점유가 필요하지 않다.
• 준입자가 초전도체 리드에 진입할 수 있을 경우 Andreev 차폐가 해제되며, 이는 잠재적 고립 상태에 민감함을 시사한다.
• 준입자 오염이 최소화된 하드 갭 초전도체-반도체 장치에서는 이 현상이 관측 가능할 것이다.
• Andreev 차폐는 토폴로지 양자 컴퓨팅과 양자 에뮬레이션에 관련된 하이브리드 양자 시스템에서 전자 이동을 제어하는 새로운 메커니즘이다.
• Andreev 차폐의 운반 특성은 구별 가능하며, 특수 설계된 양자점 아키텍처에서 실험적 검출이 가능하다.