[논문 리뷰] Entangling electrons by splitting Cooper pairs: Two-particle conductance resonance and time coincidence measurements

Anindya Das, Yuval Ronen외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 11.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초전도 알루미늄-InAs 나노와이어 장치에서 쿠퍼 쌍의 near-unity 효율적인 분할을 보여주며, 양자점들을 이용해 직접 안드레에프 반사를 억제한다. 전류 변동의 양의 교차상관관계와 비국소 도전도를 측정함으로써, 분할된 쿠퍼 쌍으로부터 유래된 얽힌 전자 쌍의 직접적인 증거를 제공하며, 샷 노이즈와 자석장에 의한 초전도성 억제를 통한 실험적 확인을 한다.

ABSTRACT

Entanglement, being at the heart of the Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox, is a necessary ingredient in processing quantum information. Cooper pairs in superconductors - being composites of two fully entangled electrons - can be split adiabatically, thus forming entangled electrons. We fabricated such electron splitter by contacting an aluminum superconductor strip at the center of a suspended InAs nanowire; terminated at both ends with two normal metallic drains. Intercepting each half of the nanowire by gate - induced Coulomb blockaded quantum dot strongly impeded the flow of Cooper pairs due to large charging energy, while still permitting passage of single electrons. Here, we provide conclusive evidence of extremely high efficiency Cooper pairs splitting via observing positive average (conductance) and time (shot noise) correlations of the split electrons in the two opposite drains of the nanowire. Moreover, The actual charge of the injected quasiparticles was verified by shot noise measurements.

연구 동기 및 목표

• 초전도체에서 쿠퍼 쌍을 분할함으로써 생성된 얽힌 전자 쌍에 대한 결론적인 실험적 증거를 제공하기 위해.
• 정상 금속 도핑선에서 쿨롱 차단 상태의 양자점들을 이용해 직접 안드레에프 반사와 배경 쿠퍼 쌍 운반을 억제하기 위해.
• 일관된, 얽힌 전자 방출의 징후로 비국소 도전도와 전류 변동 교차상관관계를 측정하기 위해.
• 샷 노이즈 측정을 통해 주입된 준입자의 전하를 확인하고 고전적 상관관계의 부재를 확인하기 위해.
• 자기장에 의한 초전도성 억제가 양의 교차상관관계를 제거함으로써, 이들이 쿠퍼 쌍 분할에 기인함을 확인하기 위해.

제안 방법

• 중앙에 알루미늄 초전도체 접촉이 있고, 두 개의 정상 금속 드레인(각각 게이트 조절이 가능한 양자점 포함)이 있는 분리된 InAs 나노와이어 장치를 제작하였다.
• 글로벌 게이트와 로컬 게이트를 사용하여 두 개의 공간적으로 분리된 양자점을 형성하여, 단일 전자 운반 제어와 쿠퍼 쌍 운반 억제를 가능하게 하였다.
• 게이트 전압과 소스-드레인 전압의 함수로 미분 도전도를 측정하여 비국소 도전도를 측정하였으며, 패러티(Fabry-Perot) 진동과 안드레에프 반사 특징을 관찰하였다.
• 저온 전류 증폭기와 1K에서 작동하는 냉각 전증폭기(LC 공진 회로를 725 kHz로 조정)를 사용하여 전류 변동을 필터링하고 증폭하였다.
• 725 kHz에서 애널로그 신호 승수기(멀티플라이어)를 사용하여 샷 노이즈 교차상관관계를 측정하였으며, 두 드레인에서의 전류 변동에 대해 양의 교차상관관계를 감지하였다.
• 수직 자기장을 약 0.2 T로 적용하여 초전도성을 억제하고, 교차상관관계가 쿠퍼 쌍의 일관성에 의존하는지 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도체에서의 쿠퍼 쌍 분할이 비국소적, 상관관계 있는 운반을 보이는 얽힌 전자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 쿨롱 차단 상태의 양자점들이 직접 안드레에프 반사를 효과적으로 억제하고, 분할된 쿠퍼 쌍의 기여를 분리하는 데에 효과적인가?
• RQ3 쿠퍼 쌍 분할 후, 두 개의 공간적으로 분리된 정상 금속 도핑선 간의 전류 변동에 대해 측정 가능한 양의 교차상관관계가 존재하는가?
• RQ4 자기장에 의한 초전도성 억제 시, 양의 교차상관관계가 사라지는가? 이는 그것이 일관된 쿠퍼 쌍 분할에 기인함을 확인하는가?
• RQ5 비국소 도전도와 샷 노이즈 교차상관관계 측정을 통해 유추되는 쿠퍼 쌍 분할의 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 두 정상 금속 드레인 간의 전류 변동에 대해 양의 교차상관관계가 관측되었으며, 신호 강도는 약 ~7–10 × 10⁻²⁹ A²/Hz로, 이론적 예측값 (~1.7 × 10⁻²⁹ A²/Hz)을 크게 초월하였다.
• 비국소 도전도 측정에서 특정 게이트 전압에서 공명 피크를 관찰하였으며, ΔGL과 ΔGR는 일관된 운반을 나타내었고, 0.2 T 자기장에서 비국소 도전도가 억제되었다.
• 분할 효율은 단일 전자 운반 대비 이중 전자 운반의 비율로 정의되며, 최대 약 100%에 도달하여 거의 이상적인 쿠퍼 쌍 분할을 나타내었다.
• 샷 노이즈 측정을 통해 주입된 준입자의 실제 전하가 확인되었으며, 관측된 교차상관관계는 고전적 노이즈 원천을 배제하였다.
• 0.2 T 자기장에서의 초전도성 억제 시, 양의 교차상관관계가 사라졌으며, 이는 효과가 초전도 쿠퍼 쌍 분할에 기인함을 확인하였다.
• 이론적 예측과는 달리, ΔGL이 ΔGR보다 더 큰 것으로 나타났으며, 이는 쌍 전자 운반에서의 위상 분리 또는 전하 변동으로 인한 비대칭성의 가능성을 시사한다.