[논문 리뷰] Nonlocal conductance spectroscopy of Andreev bound states in gate-defined InAs/Al nanowires

Andreas Pöschl, Alisa Danilenko외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 게이트로 정의된 InAs/Al 나노와이어에서 비국소 도전도 스펙트로스코피를 사용하여 안드레에프 결합 상태(ABSs)의 전하 성질을 조사한다. 횡방향으로 결합된 프로브를 통해 국소 및 비국소 터널 반응을 측정함으로써, 저자들은 ABS 전하가 게이트 전압에 따라 영으로 진동함을 관찰하였으며, 이는 이러한 상태에 대한 BCS 유사 총 전하 이론 예측을 확인한다. 에너지 최소점과 준위 교차점에서 전하가 음성에서 정성으로의 명확한 전이가 발생한다.

ABSTRACT

The charge character of Andreev bound states (ABSs) in a three-terminal semiconductor-superconductor hybrid nanowire was measured using local and nonlocal tunneling spectroscopy. The device is fabricated using an epitaxial InAs/Al two-dimensional heterostructure with several gate-defined side probes. ABSs are found to oscillate around zero as a function of gate voltage, with modifications of their charge consistent with theoretical expectations for the total Bardeen-Cooper- Schrieffer (BCS) charge of ABSs.

연구 동기 및 목표

• 반도체-초전도체 하이브리드 나노와이어에서 안드레에프 결합 상태(ABSs)의 전하 성질을 실험적으로 탐색하는 것.
• 삼터미널 기하구조에서 전기적 게이트 제어에 따라 ABS 전하가 어떻게 변화하는지 조사하는 것.
• 비국소 터널 측정을 통해 ABS에 대한 BCS 유사 총 전하 이론 예측을 검증하는 것.
• 전하 및 도전도 서명을 통해 비위상적 및 위상적 초전도 상태를 구분하는 것.

제안 방법

• 에피택셜 InAs/Al 이중층 헤테로구조를 사용하여 게이트로 정의된 횡방향 프로브를 갖춘 삼터미널 장치를 제작하였다.
• HfOx 절연체를 사용한 Ti/Au 게이트를 활용하여 국소 및 비국소 터널 스펙트로스코피를 실시하여 터널 장벽을 제어하였다.
• 다양한 게이트 전압(V_WM)에서 소스-드레인 전압(V_SD)을 가했을 때의 미분 도전도 반응(I_L, I_R)을 측정하였다.
• 비국소 도전도 G_LR 및 G_RL의 반대칭 및 대칭 성분의 비율에서 전하 성질 Q_j를 추출하였다.
• Q_j를 게이트 전압에 대해 적분하고 레버 암을 사용하여 재스케일링하여 총 ABS 전하 및 에너지 변화를 유추하였다.
• 수평 자기장이 0이 아닌 경우와 0인 경우의 결과를 비교하여 초전도 및 위상적 특징을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트로 정의된 InAs/Al 나노와이어에서 안드레에프 결합 상태의 전하 성질은 전기적 게이트 전압에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 비국소 도전도 스펙트로스코피는 삼터미널 기하구조에서 안드레에프 결합 상태의 총 BCS 전하를 해석할 수 있는가?
• RQ3 도전도 및 전하 반응에서 나타나는 어떤 서명이 위상적 전이를 나타내는가?
• RQ4 준위 교차점과 에너지 최소점은 ABS 전하 변화에 어떻게 나타나는가?
• RQ5 실험적 Q_j 값은 실제로의 결합 상태 에너지와 어느 정도 상관이 있는가?

주요 결과

• 추출된 안드레에프 결합 상태의 전하 Q_j는 상태의 에너지 최소점에서 음성에서 정성으로 지속적인 전이를 겪으며, 이는 이론적 예측과 일치한다.
• V_SD ≈ 0.2 mV 근처의 준위 교차점에서 Q_j는 급격히 양성에서 음성으로 전이되며, 이는 주로 전하 성질이 변화하고 있음을 나타낸다.
• Q_j가 양성인 영역는 게이트 전압 V_WM에 대한 ABS 에너지의 양의 기울기와 일치하며, 반대로 Q_j가 음성인 영역는 음의 기울기와 일치한다.
• 적분된 Q_L 및 Q_R 값은 광범위한 게이트 전압 범위에서 추론된 결합 상태 에너지와 거의 정확히 일치하며, 이는 총 ABS 전하에 비례함을 확인한다.
• 고자기장 조건(1.7 T)에서 추출된 Q_j 값은 실제 상태 에너지와의 상관관계가 감소하였으며, 이는 V_SD = 0 V 근처에서 노이즈와 작은 신호로 인한 것으로 보인다.
• 비국소 도전도 반응은 이론 모델과 일치하는 대칭성을 보이며, G_sum의 합은 예상되는 임계하도 도전도 행동을 잘 따르고 있다.