[논문 리뷰] Triplet correlations in Cooper pair splitters realized in a two-dimensional electron gas

Qingzhen Wang, Sebastiaan L. D. ten Haaf외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 10.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 35인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 이소스비소산 인듐주니사이드(InsbAs) 반도체 헤테로구조를 이용한 반도체 양자점 두 개가 초전도체에 결합된 2차원 전자기체(2DEG)에서 초전도 쌍 분할(CPS)을 처음으로 관측하였다. 자성장을 적용하여 양자점을 스핀 필터로 극화함으로써, 반대스핀인 삼중항(스핀 반대)과 같은스핀인 삼중항(스핀 동일) 쌍 형성 채널을 모두 식별하였으며, 강한 스핀-오비트 결합으로 인해 두 채널의 진폭이 유사함을 확인하였다. 이로 인해 CPS 효율이 90%를 초월하였고, 인공 키타에프 사슬을 위한 조절 가능한 교차 초전도 전도 및 탄성 공진터널링이 가능해졌다.

ABSTRACT

Cooper pairs occupy the ground state of superconductors and are typically composed of maximally entangled electrons with opposite spin. In order to study the spin and entanglement properties of these electrons, one must separate them spatially via a process known as Cooper pair splitting (CPS). Here we provide the first demonstration of CPS in a semiconductor two-dimensional electron gas (2DEG). By coupling two quantum dots to a superconductor-semiconductor hybrid region we achieve efficient Cooper pair splitting, and clearly distinguish it from other local and non-local processes. When the spin degeneracy of the dots is lifted, they can be operated as spin-filters to obtain information about the spin of the electrons forming the Cooper pair. Not only do we observe a near perfect splitting of Cooper pairs into opposite-spin electrons (i.e. conventional singlet pairing), but also into equal-spin electrons, thus achieving triplet correlations between the quantum dots. Importantly, the exceptionally large spin-orbit interaction in our 2DEGs results in a strong triplet component, comparable in amplitude to the singlet pairing. The demonstration of CPS in a scalable and flexible platform provides a credible route to study on-chip entanglement and topological superconductivity in the form of artificial Kitaev chains.

연구 동기 및 목표

• 1D 시스템보다 더 높은 설계 유연성을 지닌 2차원 전자기체(2DEG)에서 초전도 쌍 분할(CPS)을 입증하고자 한다.
• 일반 초전도 반사와 같은 국소 과정들과 구별하여 교차 초전도 전도(CAR)와 탄성 공진터널링(ECT) 과정을 분리하고자 한다.
• 자기장을 통해 양자점을 스핀 필터로 활용하여, 초전도 쌍의 스핀 및 얽힘 성질을 탐색하고자 한다.
• 강한 스핀-오비트 결합이 존재하는 2DEG에서 삼중항과 삼중항 쌍 형성 채널의 공존성과 조절 가능성을 조사하고자 한다.
• 인공 키타에프 사슬을 실현하고 토폴로지적 초전도성을 연구하기 위한 확장 가능한 플랫폼을 구축하고자 한다.

제안 방법

• 에피택셜 알루미늄을 포함한 인듐주니사이드(InsbAs) 2DEG를 사용하여, 초전도체-반도체 하이브리드 영역에 두 개의 양자점(QDL 및 QDR)이 연결된 장치를 제작하였다.
• 전기적 게이트를 통해 양자점의 에너지 준위를 전하 디게너시티 점으로 조절하여 강한 쿨롱 차폐 효과를 확보하고, 단일 전자 터널링을 선호하도록 하였다.
• 대칭적 및 반대칭적 바이어스 조건을 적용한 삼단계 전도 측정을 수행하여, 관련된 전류 분석을 통해 CAR(I_L = I_R)와 ECT(I_L = -I_R)를 구분하였다.
• 자기장을 도입하여 스핀 디게너시를 해소하고, 양자점을 스핀 필터로 활용하여 초전도 쌍 내 전자 스핀 상태를 선택적으로 탐지하였다.
• 교란 전류 I_corr ≡ sgn(I_L I_R) ⋅ I_L I_R 를 계산하여, CAR(양수)와 ECT(음수) 특성을 명확히 식별하였다.
• 자기장의 방향을 스핀-오비트 장에 대해 조절함으로써, CAR과 ECT의 상대적 진폭을 조절하여, 키타에프 사슬 실현에 필수적인 동일한 진폭을 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 전자기체에서 초전도 쌍 분할이 효율적으로 실현되고, 국소 과정들과 명확히 구별될 수 있는가?
• RQ2 강한 스핀-오비트 결합이 존재하는 2DEG에서 삼중항과 삼중항 쌍 형성 채널을 모두 식별할 수 있는가?
• RQ3 2DEG 플랫폼에서 교차 초전도 전도와 탄성 공진터널링의 상대적 진폭을 동일한 값으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 2DEG 내 강한 스핀-오비트 결합이 반대스핀과 동일스핀 초전도 쌍 분할의 기여도를 유사하게 만드는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 이 시스템은 인공 키타에프 사슬을 실현하고 토폴로지적 초전도성을 연구하기 위한 확장 가능한 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 2차원 전자기체에서 초전도 쌍 분할을 처음으로 관측하였으며, 병합된 CPS 효율이 90% 이상을 기록하였다.
• 반대스핀인 삼중항과 동일스핀인 삼중항 쌍 형성 채널이 모두 명확히 식별되었으며, 이는 인듐주니사이드(InsbAs) 2DEG의 강한 스핀-오비트 결합으로 인해 두 채널의 진폭이 유사함을 보였다.
• 관련 전류 I_corr 는 CAR(양수)와 ECT(음수)를 명확히 구분하여, 전도 과정의 비국소성 특성을 확인하였다.
• 자기장이 0일 때 스핀 차폐가 전도를 억제함으로써, 스핀이 CPS 과정을 매개하는 역할을 함을 확인하였다.
• 자기장의 방향을 스핀-오비트 장에 대해 조절함으로써, CAR과 ECT의 진폭을 동일하게 조절하여, 키타에프 사슬 실현에 필수적인 조건을 충족시켰다.
• 에너지 및 바이어스 조건을 충족하지 못할 경우 비관련 신호가 관측되지 않음으로써, 국소 과정(예: 일반 초전도 반사)의 억제가 확인되었다.