[논문 리뷰] Induced superconductivity in a fractional quantum Hall edge

Önder Gül, Yuval Ronen외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 05.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 날카로운 niobium nitride (NbN) 초전도체 전극을 갖춘 고품질 그래핀 기반 헤테로구조를 사용하여 분수량자홀(FQH) 가장자리에서 유도된 초전도성을 입증한다. 저온에서 FQH 가장자리에서 비영인 확률을 가진 교차 Andreev 반사(CAR)가 관측되었으며, 이는 정수 가장자리보다 높은 확률로 관측되어 분수 전하의 초전도성 쌍성에 직접적인 증거를 제공한다. 이는 FQH-초전도체 하이브리드에서 파라페르미온을 통한 보편적인 위상적 양자계산을 위한 길을 열어준다.

ABSTRACT

Topological superconductors represent a phase of matter with nonlocal properties which cannot smoothly change from one phase to another, providing a robustness suitable for quantum computing. Substantial progress has been made towards a qubit based on Majorana modes, non-Abelian anyons of Ising ($Z_2$) topological order whose exchange$-$braiding$-$produces topologically protected logic operations. However, because braiding Ising anyons does not offer a universal quantum gate set, Majorana qubits are computationally limited. This drawback can be overcome by introducing parafermions, a novel generalized set of non-Abelian modes ($Z_n$), an array of which supports universal topological quantum computation. The primary route to synthesize parafermions involves inducing superconductivity in the fractional quantum Hall (fqH) edge. Here we use high-quality graphene-based van der Waals devices with narrow superconducting niobium nitride (NbN) electrodes, in which superconductivity and robust fqH coexist. We find crossed Andreev reflection (CAR) across the superconductor separating two counterpropagating fqH edges which demonstrates their superconducting pairing. Our observed CAR probability of the integer edges is insensitive to magnetic field, temperature, and filling, which provides evidence for spin-orbit coupling inherited from NbN enabling the pairing of the otherwise spin-polarized edges. FqH edges notably exhibit a CAR probability higher than that of integer edges once fully developed. This fqH CAR probability remains nonzero down to our lowest accessible temperature, suggesting superconducting pairing of fractional charges. These results provide a route to realize novel topological superconducting phases with universal braiding statistics in fqH-superconductor hybrid devices based on graphene and NbN.

연구 동기 및 목표

• 보편적인 위상적 양자계산을 위한 파라페르미온을 수용하는 위상적 초전도상태를 실현하기 위해.
• 비보편적인 끈적임 통계로 인해 보편 게이트 세트를 갖추지 못하는 마요라나 큐비트의 계산 한계를 극복하기 위해.
• 하이브리드 장치에서의 인접 효과를 통해 FQH 가장자리에서 분수 전하 쿼라프티클의 초전도성 쌍성 증명하기 위해.
• 스핀-오비트 결합이 스핀 극성화된 FQH 가장자리 상태의 쌍성에 어떻게 기여하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 날카로운 니오븀 질화물(NbN) 초전도체 전극을 갖춘 고품질 그래핀 기반 반데발스 헤테로구조의 제작.
• 강한 자기장과 낮은 온도를 사용하여 안정적인 정수 및 분수 양자홀 상태를 확보.
• 초전도성 장벽에 의해 분리된 두 개의 반대 방향으로 흐르는 FQH 가장자리 간의 교차 Andreev 반사(CAR) 측정.
• 자기장, 온도, 채움 인자 등을 체계적으로 변화시켜 CAR 행동을 분석하고 쌍성 메커니즘을 구분.
• 정수 및 분수 채움 인자 간의 CAR 확률 비교를 통해 분수 전하 쌍성의 징후를 식별.
• NbN의 스핀-오비트 결합을 활용하여, 이질적으로 스핀 극성화된 FQH 가장자리 상태의 쌍성을 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 초전도체와의 인접 효과를 통해 분수 양자홀 가장자리 상태에서 초전도성이 유도될 수 있는가?
• RQ2 관측된 FQH 가장자리에서의 교차 Andreev 반사는 분수 전하의 쌍성일 뿐 아니라 정수 전하의 쌍성일 수 있는가?
• RQ3 자기장과 온도를 변화시킬 때 FQH 가장자리의 CAR 확률은 정수 양자홀 가장자리의 확률과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 NbN의 스핀-오비트 결합은 어떻게 스핀 극성화된 FQH 가장자리 상태의 쌍성을 가능하게 하는가?
• RQ5 FQH 가장자리에서의 CAR 신호는 밀리켈빈 온도까지도 견고한가? 이는 위상적 초전도성 쌍성의 징후인가?

주요 결과

• 정수 및 분수 양자홀 가장자리에서 모두 교차 Andreev 반사(CAR)가 관측되었으며, 정수 가장자리의 CAR 확률은 자기장, 온도, 채움 인자에 민감하지 않다.
• 분수 양자홀 가장자리에서의 CAR 확률은 완전히 발현된 후 정수 가장자리의 확률을 초월하여, 분수 상태에서의 쌍성 효율이 향상됨을 시사한다.
• FQH CAR 확률은 가장 낮은 가용 온도까지도 영구적으로 비영인 상태를 유지하여, 분수 쿼라프티클의 견고한 초전도성 쌍성을 시사한다.
• 정수 가장자리의 CAR가 외부 매개변수에 민감하지 않다는 점은 NbN의 스핀-오비트 결합이 이질적으로 스핀 극성화된 가장자리 상태의 쌍성을 가능하게 한다는 메커니즘을 시사한다.
• 결과는 FQH 가장자리에서 유도된 위상적 초전도성에 강력한 증거를 제공하며, 이는 보편적인 위상적 양자계산을 위한 파라페르미온을 실현하기 위한 핵심 단계이다.