[논문 리뷰] Controlled crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling mediated by Andreev bound states

Alberto Bordin, Guanzhong Wang외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 05.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 전자기적 게이팅과 자장 조절을 통해 InSb 나노와이어 기반 하이브리드 초전도 장치에서 교차된 안드리에프 반사(CAR)와 탄성 공통터널링(ECT)을 결정적으로 제어함을 보여준다. 안드리에프 고립 상태(ABS)의 전자 및 구멍 성분 간 간섭을 이용하여 CAR와 ECT 간 비율을 정밀하게 조절함으로써, CAR와 ECT의 진폭이 동일해지는 조건을 달성하였으며, 이는 인공 키타에프 사슬에서 마요라나 제로 모드를 실현하는 데 필수적이다.

ABSTRACT

A short superconducting segment can couple attached quantum dots via elastic co-tunneling (ECT) and crossed Andreev reflection (CAR). Such coupled quantum dots can host Majorana bound states provided that the ratio between CAR and ECT can be controlled. Metallic superconductors have so far been shown to mediate such tunneling phenomena, albeit with limited tunability. Here we show that Andreev bound states formed in semiconductor-superconductor heterostructures can mediate CAR and ECT over mesoscopic length scales. Andreev bound states possess both an electron and a hole component, giving rise to an intricate interference phenomenon that allows us to tune the ratio between CAR and ECT deterministically. We further show that the combination of intrinsic spin-orbit coupling in InSb nanowires and an applied magnetic field provides another efficient knob to tune the ratio between ECT and CAR and optimize the amount of coupling between neighboring quantum dots.

연구 동기 및 목표

• 반도체-초전도체 하이브리드 장치에서 교차된 안드리에프 반사(CAR)와 탄성 공통터널링(ECT) 간 비율을 결정적으로 제어하는 것.
• 안드리에프 고립 상태(ABS)가 전자 및 구멍 성분의 간섭을 통해 CAR와 ECT 를 어떻게 매개하는지 조사하는 것.
• 전기적 게이팅이 ABS의 전하 및 에너지를 조절하여 CAR 및 ECT 진폭을 조절하는 데 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 자장 방향과 스핀-오비트 결합이 스핀 차단 메커니즘을 통해 ECT 를 억제하거나 증폭시키는 데 미치는 영향을 검토하는 것.
• CAR 및 ECT 진폭이 동일해지는 조건을 규명하는 것 — 이는 최소한의 키타에프 사슬에서 '빈민의 마요라나'를 실현하는 데 필수적인 조건이다.

제안 방법

• 상전이 초전도체 세그먼트를 지닌 InSb 나노와이어 장치를 제작하고, 상부 게이트 전극을 통해 이중 양자점 구조를 정의하였다.
• 저온 전도도 측정(40 mK)을 수행하여 국소 및 비국소 전도도 스펙트로스코피를 이용해 CAR 및 ECT 과정을 탐색하였다.
• 전기적 게이팅을 적용하여 중간 안드리에프 고립 상태(ABS)의 화학적 위치를 조절하고 전하를 제어하였다.
• 나노와이어 축에 대해 자장 방향과 스핀-오비트 장을 변화시켜 CAR 및 ECT 진폭에 대한 이방성 효과를 탐구하였다.
• Fermion 교환 통계와 터널링 경로 간섭을 기반으로 한 이론 모델을 사용하여 관측된 전도도 특징을 설명하였다.
• 자장 방향의 전체 구형 의존성을 매핑하여 조절 가능한 최적 조건 영역을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적 게이팅을 통해 반도체-초전도체 하이브리드 시스템에서 CAR 및 ECT 간 비율을 결정적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 안드리에프 고립 상태의 전하가 간섭 패tern과 CAR 및 ECT 상대 강도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 스핀-오비트 결합과 자장 방향이 스핀 차단 메커니즘을 통해 ECT 를 억제하거나 증폭시키는 데 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 자장 방향을 CAR/ECT 비율을 조절하고 I_CAR = I_ECT 를 달성하기 위한 독립적 제어 수단으로 사용할 수 있는가?
• RQ5 ABS의 에너지 및 스핀 분리가 CAR 및 ECT 의 간섭 기반 조절에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 안드리에프 고립 상태가 전하 중성일 경우, Fermion 교환 통계에 기인한 간섭으로 인해 ECT 가 크게 억제된다.
• 전기적 게이팅을 통해 ABS 전하 및 에너지를 제어함으로써 ECT 와 CAR 간 비율을 광범위하게 조절할 수 있다.
• 자장이 효과적 스핀-오비트 장과 평행 방향으로 정렬될 경우 ECT 가 억제되며, 이는 스핀 차단 메커니즘을 시사한다.
• 자장 방향은 ABS 에너지와 스핀-오비트 결합 효과를 모두 변화시켜 CAR 및 ECT 진폭에 대한 추가 제어를 가능하게 한다.
• 전체 구형 자장 의존성 분석을 통해 I_ECT / I_CAR = 1 인 연속적인 영역을 규명하였으며, 특정 자장 방향에서 최대 동일 진폭 전류가 관측되었다.
• 게이팅 조절과 자장 제어의 조합을 통해 CAR 및 ECT 를 결정적으로 최적화할 수 있었으며, 이는 인공 키타에프 사슬에서 중요한 I_CAR = I_ECT 조건을 달성하는 데 기여하였다.