[논문 리뷰] Crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling in a three-site Kitaev chain nanowire device

Alberto Bordin, Xiang Li외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 13.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 인듐비소르화물 나노와이어를 이용해 제작한 세 개의 양자점이 초전도체-반도체 하이브리드 세그먼트로 분리된 세 사이트 키타예프 체인에서 교차된 안드레에프 반사(CAR)와 탄성 공통터널링(ECT)을 실험적으로 입증한다. 저자들은 이웃한 양자점 간에 쌍방향 CAR 및 ECT를 구현하고, 세 양자점 전반에 걸쳐 순차적인 CAR 및 ECT 과정을 관찰하여, 더 긴 키타예프 체인에서의 위상적 초전도성의 실현 가능성을 확인한다.

ABSTRACT

The formation of a topological superconducting phase in a quantum-dot-based Kitaev chain requires nearest neighbor crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling. Here we report on a hybrid InSb nanowire in a three-site Kitaev chain geometry - the smallest system with well-defined bulk and edge - where two superconductor-semiconductor hybrids separate three quantum dots. We demonstrate pairwise crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling between both pairs of neighboring dots and show sequential tunneling processes involving all three quantum dots. These results are the next step towards the realization of topological superconductivity in long Kitaev chain devices with many coupled quantum dots.

연구 동기 및 목표

• 인듐비소르화물 나노와이어를 사용하여 잘 정의된 고체상 및 가장자리 상태를 갖는 최소한의 세 사이트 키타예프 체인 장치를 실현하기 위해.
• 통제 가능한 나노와이어 구조에서 이웃한 양자점 간에 교차된 안드레에프 반사(CAR)와 탄성 공통터널링(ECT)의 존재를 입증하기 위해.
• 모든 세 양자점에 관여하는 순차적 CAR 및 ECT 과정을 실험적으로 해석하고 구분함으로써, 위상적 초전도성에 필수적인 과정을 검증하기 위해.
• 확장된 키타예프 체인에서 장거리 얽힘과 향후 메이저라 나선 상태의 실현을 위한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 초전도체-반도체 하이브리드 세그먼트(S1, S2)로 분리된 세 개의 양자점(QD1, QD2, QD3)을 포함한 하이브리드 인듐비소르화물 나노와이어 장치를 제작하였다.
• 11개의 손가락형 게이트에 의한 게이트 전압을 조절하여 세 양자점의 화학적 위치를 조절하고 터널링 장벽을 제어하였다.
• 모든 네 단자(NL, NR, S1, S2)에 독립적인 전압 및 전류 공급을 시행하여 전송 전류를 측정하고 CAR 및 ECT 과정을 식별하였다.
• 코풀로브 다이아몬드 스펙트로스코피 및 차등 도전도 측정을 수행하여 양자점의 충전 에너지(3–4 mV)와 레버 암(~0.3)를 추출하였다.
• 체인 전반에 걸친 순차적 CAR 및 ECT 과정을 구분하기 위해 대칭 및 반대칭 전압 설정을 시행하였다.
• 게이트 전압(VQD1, VQD2, VQD3)에 따른 전류 반응을 분석하여 다양한 화학적 위치 조건에서 CAR 및 ECT의 징후를 식별하였다.

Fig. 1: a. False-colored scanning electron micrograph of the measured device. An InSb nanowire (green) is deposited on top of 11 finger gates (red) and it is contacted with two superconducting leads S 1 and S 2 (blue) and two normal leads $\mathrm{N}_{\textrm{L}}$ and $\mathrm{N}_{\textrm{R}}$ (yell

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세 사이트 키타예프 체인에서 이웃한 양자점 간에 교차된 안드레에프 반사(CAR)와 탄성 공통터널링(ECT)이 동시에 관찰될 수 있는가?
• RQ2 제자리 자기장이 없는 조건에서 CAR 및 ECT 과정이 세 양자점 체인을 통해 어떻게 전송을 매개하는가?
• RQ3 모든 세 양자점에 관여하는 순차적 CAR 및 ECT 과정을 실험적으로 해석하고 구분할 수 있는가?
• RQ4 CAR 및 ECT가 지배하는 조건는 무엇이며, 이는 양자점의 화학적 위치 정렬에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 이 세 사이트 장치는 위상적 초전도성과 장거리 얽힘을 실현하기 위한 확장 가능한 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• QD1–QD2 및 QD2–QD3 사이에서 쌍방향 교차된 안드레에프 반사(CAR)와 탄성 공통터널링(ECT)이 명확한 전류 반응으로 관측되었으며, 모든 단자에서의 전류 반응으로 확인되었다.
• 세 양자점의 충전 에너지는 각각 4 mV, 3.5 mV, 3.3 mV로 측정되었으며, 레버 암은 약 0.32, 0.33, 0.31이었다.
• μ1 = μ2 = μ3 조건에서 전류 맵의 양성 기울기 대각선을 통해 순차적 ECT 과정이 식별되었으며, 반대칭 전압 조건에서 I_L 및 I_R에서 명백하게 관측되었다.
• 동일한 조건에서 μ1 = -μ2 = μ3를 만족하는 경우, 모든 전류 맵에서 음성 기울기 대각선으로 순차적 CAR 과정이 관측되었으며, 일관성 있는 결과를 보였다.
• 대칭 전압 조건(V_L = V_R)에서 I_S2 및 I_S1의 전류 반응을 통해 ECT 이후 CAR 및 CAR 이후 ECT 과정이 구분되었다.
• QD 화학적 위치의 조절을 통해 전송 경로를 완전히 제어할 수 있었으며, 이는 위상적 초전도성에 대한 더 긴 체인으로의 확장 가능성을 확인하였다.

Fig. 2: a., b. Schematic diagrams of CAR and ECT processes between $\mathrm{QD}_{1}$ and $\mathrm{QD}_{2}$ . CAR is measured by applying $V_{\mathrm{b}}$ on $\mathrm{N}_{\textrm{L}}$ and $V_{\mathrm{b}}+\Delta/e$ on $\mathrm{S}_{\textrm{2}}$ (panel a). ECT is measured by applying $V_{\mathrm{b}}$ on