[论文解读] Andreev Blockade in a Double Quantum Dot with a Superconducting Lead

David Pekker, Sergey Frolov|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出在双量子点与自旋单重态超导电极耦合的系统中存在Andreev阻塞现象，其中量子点上的自旋三重态电子因Andreev反射被抑制而无法形成Cooper对。该阻塞现象不依赖于超导电极界面处量子点的占据情况，与Pauli阻塞不同，提供了一种控制混合量子器件中电子输运的新机制。

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. Andreev blockade should be considered in the design of topological quantum circuits, hybrid quantum bits and quantum emulators.

研究动机与目标

• 研究双量子点系统与自旋单重态超导体耦合时的电子输运机制。
• 识别由自旋三重态电子态引起的Andreev反射抑制而产生的新型阻塞机制。
• 将该机制与需奇数电子占据的Pauli阻塞区分开来。
• 探索在硬能隙超导体-半导体异质结构中观察和解除Andreev阻塞的条件。
• 评估Andreev阻塞对拓扑量子电路和混合量子比特设计的影响。

提出的方法

• 建立双量子点系统模型，其中源极库为正常金属，漏极库为自旋单重态超导体。
• 分析当两个电子以自旋三重态占据量子点时的电子输运行为。
• 应用Andreev反射理论，表明由于自旋不匹配，Cooper对形成被抑制。
• 采用非平衡格林函数方法计算输运特性并识别阻塞特征。
• 评估准粒子注入在硬能隙超导体系中对解除阻塞的作用。
• 比较Andreev阻塞与Pauli阻塞下的输运行为，突出其在占据依赖性上的关键差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 Andreev反射抑制如何导致双量子点与超导电极耦合系统中的电子阻塞？
• RQ2 在电子占据依赖性方面，Andreev阻塞与Pauli阻塞有何区别？
• RQ3 在硬能隙超导体-半导体异质结构中，Andreev阻塞在何种条件下可被观测到？
• RQ4 准粒子注入如何影响Andreev阻塞的稳定性和可观测性？
• RQ5 Andreev阻塞对拓扑量子电路和混合量子比特设计有何影响？

主要发现

• Andreev阻塞源于双量子点上两个自旋三重态电子无法与自旋单重态超导电极形成Cooper对，导致Andreev反射被抑制。
• 阻塞现象发生在与超导电极相邻的量子点任意占据状态下，与需奇数占据的Pauli阻塞不同。
• 当准粒子被允许进入超导电极时，Andreev阻塞被解除，表明其对亚能隙态敏感。
• 该现象应在准粒子中毒被最小化的硬能隙超导体-半导体器件中可观测。
• Andreev阻塞为混合量子系统中的电子输运提供了新的控制机制，对拓扑量子计算和量子模拟具有重要意义。
• Andreev阻塞的输运特性具有独特且可识别的特征，使其可在定制化的量子点架构中实现实验探测。