[논문 리뷰] Cross correlation mediated by distant Majorana zero modes with no overlap

Lupei Qin, Wei Feng외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 27.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 47인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 도선을 가진 마요라나 장치에서, 커플링 에너지 ǫM → 0 일 때조차도 분지 회로 전류 간 비국소 상관관계를 탐지할 수 있는 방법을 제안한다. 이는 총 전류를 안드레에브 과정에 연관된 성분으로 분해함으로써 가능해진다. 양자 점프 기법을 사용한 마스터 방정식 접근법을 통해, 비국소성의 특성을 지닌 마요라나 영모드의 영향으로 인해 비국소 상관관계가 유지됨을 보여주며, 영편향 전도도 피크와 함께 확실한 실험적 서명을 제공한다.

ABSTRACT

Existing studies via shot noise calculation conclude that the cross correlation between the currents in the two leads connected by a pair of Majorana zero modes (MZMs) vanishes when their coupling energy $\epsilon_M o 0$. Motivated by the intrinsic nature of nonlocality of the MZMs, we revisit this important problem and propose an experimental scheme to demonstrate the nonvanishing cross correlation even at the limit $\epsilon_M o 0$. The proposed scheme employs the Andreev-process-associated branch circuit currents, which are theoretically obtained by applying a decomposition analysis for the total currents while in practical measurement, are accessible directly. For different bias voltage setup, we find intriguing results of both negative and positive correlations and carry out simple physical understanding using a quantum jump technique. Importantly, combining together with the evidence of the zero-bias-peak of conductance, the nonlocal cross correlation predicted in this work can help to definitely confirm the existence of the nonlocal MZMs.

연구 동기 및 목표

• ǫM → 0 일 때 총 도선 전류에서 상관관계가 사라지지만, 마요라나 영모드(MZMs)의 비국소성은 여전히 존재하는 오랫동안 해결되지 않은 난제를 해결하기 위해.
• 총 전류 측정을 초월하여 MZMs의 본질적 비국소성을 드러내는 실험적으로 측정 가능한 양을 규명하기 위해.
• 진정한 MZMs를 확인하기 위해 영편향 전도도 피크와 함께 확실한 실험적 서명이 되는 분지 회로 전류 간 비국소 상관관계를 제공하기 위해.
• 비국소 상관관계가 편향 전압에 따라 양수 또는 음수일 수 있음을 보여주어 더 풍부한 진단 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• MZMs를 포함한 삼단계 구조에서 터널링 및 안드레에브 과정을 기술하기 위해 리드블라드 초연산자를 사용한 수정된 마스터 방정식 접근법을 적용한다.
• f-편입자 편입 수준을 추적하기 위해 고유수치 상태 표현을 사용함으로써 비국소 동역학 분석이 가능해진다.
• 양자 점프 기법을 통해 총 도선 전류를 분지 회로 전류로 분해한다. 이는 초전도체에서 각 도선으로 되돌아오는 전류 성분을 의미한다.
• 레벨 너비화와 안드레에브 과정에서의 에너지 보존을 모델링하기 위해 일반화된 로렌츠 스펙트럼 함수 eδ(ω ∓ ǫM)를 도입한다.
• 전자 및 구멍 과정을 구분하는 전자 및 구멍 과정에 대한 커플링 속도 Γ±α 및 eΓ±α를 유도한다.
• 추출된 분지 회로 전류 간의 상관관계를 계산하며, 이는 실험적으로 직접 측정 가능한 양이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ǫM → 0 일 때조차도 먼 도선 간 비국소 상관관계가 유지되는가? 이는 이전의 샷 노이즈 계산 결과와는 정반대이다.
• RQ2 총 도선 전류를 초월하여 마요라나 영모드의 비국소성을 드러내는 측정 가능한 전류 성분이 존재하는가?
• RQ3 다른 편향 전압 설정 조건에서 비국소 상관관계의 물리적 기원과 부호(양수 또는 음수)는 무엇인가?
• RQ4 비국소 상관관계는 실험적으로 접근 가능하며, 비자명한 효과와 구별될 수 있는가?
• RQ5 비국소 상관관계는 진정한 MZMs를 확인하기 위해 영편향 전도도 피크와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 안드레에브 과정에 연관된 분지 회로 전류 간 상관관계는 ǫM → 0 의 극한에서도 마요라나 영모드의 비국소성 덕분에 사라지지 않는다.
• 편향 전압 설정 조건에 따라 비국소 상관관계는 양수 또는 음수 값을 띠며, 풍부한 비국소 동역학을 나타낸다.
• 양자 점프 기법을 통해 추출된 전류 성분은 실험적으로 직접 측정 가능한 분지 회로 전류에 직접 대응한다.
• 작은 편향 전압에서 비국소 상관관계는 안정적이며, 레벨 너비화를 고려하는 스펙트럼 함수 eδ(ω ∓ ǫM)에 의해 지배된다.
• 예측된 비국소 상관관계는 영편향 전도도 피크와 함께 조합될 경우, 진정한 비국소 마요라나 영모드를 확인하는 확실한 실험적 서명이 된다.
• 이전에 총 전류 상관관계가 사라진다는 문헌의 모순을 해결하기 위해, 성분 전류가 숨겨진 비국소성을 드러냄을 보여준다.