[논문 리뷰] Theory of Andreev Blockade in a Double Quantum Dot with a Superconducting Lead

David Pekker, Po Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도체 리드에 연결된 이중 양자점에서 스핀 트리플렛 상태에 있는 두 전자가 운동량 보존에 의해 쿠퍼 쌍을 형성하는 것을 차단하는 안드레에프 차폐를 제안한다. 폴리 차폐와 달리, 초전도체에 인접한 양자점의 전자 수에 관계없이 발생하며, 준입자가 초전도체에 진입할 때 해제되어 딱딱한 갭을 가진 초전도체-반도체 장치에서 고유한 전도도 안정성 다이어그램을 통해 관측 가능하다.

ABSTRACT

A normal metal source reservoir can load two electrons onto a double quantum dot in the spin-triplet configuration. We show that if the drain lead of the dot is a spin-singlet superconductor, these electrons cannot form a Cooper pair and are blockaded on the double dot. We call this phenomenon Andreev blockade because it arises due to suppressed Andreev reflections. We identify transport characteristics unique to Andreev blockade. Most significantly, it occurs for any occupation of the dot adjacent to the superconductor, in contrast with the well-studied Pauli blockade which requires odd occupations. Andreev blockade is lifted if quasiparticles are allowed to enter the superconducting lead, but it should be observable in the hard gap superconductor-semiconductor devices. A recent experiment tests this model and finds support for several predictions made here~[P. Zhang, H. Wu, J. Chen, S. A. Khan, P. Krogstrup, D. Pekker, and S. M. Frolov, arXiv:2102.03283 (2021)]. Andreev blockade should be considered in the design of topological quantum circuits, hybrid quantum bits and quantum emulators.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 초전도체 양자점 시스템에서 안드레에프 과정에 특화된 전도 차폐 메커니즘을 조사하는 것.
• 스핀 트리플렛 상태 형성이 초전도체 안드레에프 반사의 억제가 되는 조건을 규명하는 것.
• 전자 수의 홀짝성과 스핀 구성에 따른 의존성 분석을 통해 안드레에프 차폐와 폴리 차폐를 구별하는 것.
• 저전압 및 딱딱한 초전도 갭 조건에서 전도도 삼각형과 같은 관측 가능한 전도 특성 예측하기.
• 안드레에프 차폐가 위상 양자 회로 및 하이브리드 양자 비트 설계에 미치는 영향을 고려하여, 이를 중요한 고려 사항으로 삼는 것.

제안 방법

• 정상 금속 소스와 스핀 싱เก릿 초전도체 드레인에 터널 결합된 이중 양자점의 이론 모델을 수립한다.
• 전자 터널링 및 안드레에프 반사 과정을 기술하기 위해 마스터 방정식 접근법을 사용하며, 쿨롱 차폐와 초전도성 쌍화를 포함한다.
• 게이트 전압 공간(Vg1 대 Vg2)에서의 전하 안정성 다이어그램을 사용하여 전도도를 양자점의 전자 수에 따라 매핑함으로써 전도 특성을 분석한다.
• 초전도체의 입자-홀 대칭성을 도입하여 안드레에프 차폐의 홀짝성 의존성을 설명한다.
• 터널링률(Γ1, Γ2, Γ12), 충전 에너지(U1, U2, U12), 초전도 갭(Δ2) 등의 파rameter를 포함한 수치 시뮬레이션을 수행하며, 전압 V1 = −V2 = 0.1로 설정한다.
• 소스-드레인 전압이 초전도 갭을 초과할 경우 준입자 전도가 가능해져 차폐가 해제됨을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 전자가 스핀 트리플렛 상태에 있을 때, 초전도체 리드가 연결된 이중 양자점에서 안드레에프 반사가 억제될 수 있는가?
• RQ2 전도도에 대한 의존성과 대칭성 측면에서 안드레에프 차폐는 폴리 차폐와 어떻게 다를까?
• RQ3 전하 안정성 다이어그램에서 안드레에프 차폐의 고유한 전도 특징은 무엇인가?
• RQ4 안드레에프 차폐가 붕괴되는 조건는 무엇이며, 이는 전도도 패tern에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 딱딱한 갭을 가진 초전도체-반도체 장치에서 안드레에프 차폐를 관측할 수 있으며, 이를 검출하기 위한 실험적 파rameter는 무엇인가?

주요 결과

• 안드레에프 차폐는 이중 양자점의 (1,홀수)→(0,짝수) 전하 디게너시 점에서 발생하며, 폴리 차폐보다 두 배로 자주 나타난다.
• 초전도체의 입자-홀 대칭성 덕분에, 차폐는 초전도체에 인접한 양자점의 전자 수의 홀짝성에만 민감하게 반응한다.
• 소스-드레인 전압이 초전도 갭(Δ = 0.05U1)을 초과할 경우 전도도 삼각형이 안정성 다이어그램에 재등장하여 안드레에프 차폐의 붕괴를 나타낸다.
• 현상은 딱딱한 갭 초전도체에서 강건하며, 준입자가 초전도체에 진입할 수 있게 되면 차폐가 해제되어 전도가 가능해진다.
• 최근 실험에서 모델의 예측가 정확히 확인되었으며, 초전도체 리드가 연결된 이중 양자점에서 안드레에프 차폐의 존재를 뒷받침한다.
• 위상 양자 회로 및 하이브리드 양자 비트 설계 시, 안드레에프 차폐가 조작성 있는 전도에 영향을 미치므로 고려되어야 한다.