[논문 리뷰] Dominant non-local superconducting proximity effect due to electron-electron interaction in a ballistic double nanowire

Kento Ueda, Sadashige Matsuo외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 궁극적으로 비국소 초전도성 비례 효과를 나타내는 구동성 있는 InAs 双나노와이어 조합 제논 조합에서, 일차원 전자기체 내 전자-전자 상호작용이 국소 쌍 터널링을 억제하고 코플러 쌍 분할(CPS)을 증가시킴을 보여준다. 관측된 스위칭 전류는 양쪽 나노와이어로 모두 합산된 개별 전류를 초과하며, 이는 상호와이어 초전도성에 의해 국소 쌍 터널링이 지배되는 것보다 상호와이어 쌍 결합이 더 강하다는 것을 시사한다. 이는 시간역전 대칭을 유지하는 톱올로지컬 초전도성과 외부 자기장이 없는 조건에서 캄레어스 쌍의 메이저라나 페르미온을 실현하는 데 핵심적인 조건인, 상호와이어 결합에 대한 더 큰 초전도 갭을 제공한다.

ABSTRACT

Cooper pair splitting (CPS) can induce non-local correlation between two normal conductors coupling to a superconductor. CPS into a double one-dimensional electron gas is an appropriate platform for extracting large amount of entangled electron pairs and one of the key ingredients for engineering Majorana Fermions with no magnetic field. Here we study CPS using a Josephson junction of a gate-tunable ballistic InAs double nanowire. The measured switching current into the two nanowires significantly larger than sum of that into the respective nanowires, indicating the inter-wire superconductivity dominant compared to the intra-wire superconductivity. From dependence on the number of propagating channels in the nanowires, the observed CPS is assigned to one-dimensional electron-electron interaction. Our results will pave the way for utilizing one-dimensional electron-electron interaction to reveal physics of high-efficient CPS and engineer Majorana Fermions in double nanowire systems via CPS.

연구 동기 및 목표

• 국소 쌍 터널링(LPT)이 억제된 구동성 이중 나노와이어 시스템에서 고효율 코플러 쌍 분할(CPS)을 입증하는 것.
• 일차원 전자-전자 상호작용이 국소 상관관계보다 비국소 초전도성 상관관계를 지배하고 강화할 수 있는지 조사하는 것.
• 시간역전 대칭을 유지하는 톱올로지컬 초전도성에 필수적인 조건인 상호와이어 초전도성이 국소와이어 초전도성보다 강도가 높다는 것을 검증하는 것.
• 강한 외부 자기장이 필요 없이 메이저라나 페르미온을 공학적으로 설계할 수 있는 플랫폼을 제공하는 것.

제안 방법

• 20 nm 간격의 두 개의 알루미늄 전극을 가진 게이트 조절 가능한 구동성 InAs 이중 나노와이어(DNW) 조합 제논 조합의 제작.
• 게이트 전압과 자기장에 따른 양쪽 나노와이어의 스위칭 전류 측정을 통해 초전도성 비례 효과를 탐색.
• IcRn 곱 분석을 통한 조합 제논 특성의 활용으로 국소와이어 및 상호와이어 비례 효과의 초전도 갭 에너지를 추출.
• 전파 가능한 모드 수에 따른 스위칭 전류 의존성 분석을 통해 일차원 전자-전자 상호작용의 역할을 규명.
• 초전도체에 결합된 토모나가-루팅 거시적 액체 이론 모델을 사용하여 측정된 CPS 기여도와 LPT를 비교.
• 게이트 조절 가능한 전도도 측정을 통해 국소 상관관계와 비국소 상관관계를 분리.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 나노와이어 내 일차원 전자-전자 상호작용이 국소 쌍 터널링을 억제하고 비국소 코플러 쌍 분할을 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 구동성 이중 나노와이어 조합 제논 조합에서 상호와이어 초전도성 비례 효과가 국소와이어 효과보다 더 강한가?
• RQ3 관측된 비국소 초전도성 상관관계가 국소 상관관계보다 더 큰 초전도 갭을 가지는가? 이는 톱올로지컬 초전도성에 유리한 조건을 나타내는가?
• RQ4 1차원 시스템 내 전자-전자 상호작용이 터널 결합이나 양자점 전기적 특성에 의존하지 않고도 고효율 CPS의 주요 메커니즘으로 작용할 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 스위칭 전류가 양쪽 나노와이어로 모두 개별 스위칭 전류의 합을 초과하여, 비국소 초전도성 비례 효과가 지배적임을 나타낸다.
• IcRn 로부터 유도된 상호와이어 초전도 갭은 국소와이어 갭보다 크며, 시간역전 대칭을 유지하는 톱올로지컬 초전도성에 필수적인 조건을 충족한다.
• 관측된 CPS 는 전파 가능한 모드 수에 대한 의존성으로 인해 일차원 전자-전자 상호작용에 기인한 것으로 확인된다.
• 강한 전자-전자 반발력으로 인해 쿨롱 상호작용이 스크리닝되어 국소 쌍 터널링이 억제되고 비국소 얽힘 상태가 증가한다.
• 강한 터널 장벽이나 큰 양자점 충전 에너지가 필요 없이도 고효율 CPS 대 LPT 비율을 나타낸다.
• 본 연구는 외부 자기장이 필요 없이 이중 나노와이어에서 메이저라나 페르미온을 공학적으로 설계할 수 있는 새로운 플랫폼을 확립한다.