[論文レビュー] Controlled crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling mediated by Andreev bound states

Alberto Bordin, Guanzhong Wang+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、静電的ゲートと磁場調整を用いて、InSbナノワイヤを基盤とするハイブリッド超伝導デバイスにおいて、交差アンドレエフ反射（CAR）と弾性共トンネル（ECT）を決定的に制御することを示した。アンドレエフ束縛状態（ABS）における電子およびホール成分の干渉を活用することで、CARとECTの比を精密に調整でき、CARとECTの振幅が等しくなる状態を達成した。これは、人工キタエフ鎖におけるマジョラナ零モードを実現する上で不可欠な条件である。

ABSTRACT

A short superconducting segment can couple attached quantum dots via elastic co-tunneling (ECT) and crossed Andreev reflection (CAR). Such coupled quantum dots can host Majorana bound states provided that the ratio between CAR and ECT can be controlled. Metallic superconductors have so far been shown to mediate such tunneling phenomena, albeit with limited tunability. Here we show that Andreev bound states formed in semiconductor-superconductor heterostructures can mediate CAR and ECT over mesoscopic length scales. Andreev bound states possess both an electron and a hole component, giving rise to an intricate interference phenomenon that allows us to tune the ratio between CAR and ECT deterministically. We further show that the combination of intrinsic spin-orbit coupling in InSb nanowires and an applied magnetic field provides another efficient knob to tune the ratio between ECT and CAR and optimize the amount of coupling between neighboring quantum dots.

研究の動機と目的

• 半導体-超伝導体ハイブリッドデバイスにおける交差アンドレエフ反射（CAR）と弾性共トンネル（ECT）の比を決定的に制御すること。
• アンドレエフ束縛状態（ABS）が、電子およびホール成分の干渉を通じてCARとECTをどのように媒介するかを調査すること。
• 静電的ゲートがABSの電荷およびエネルギーをどのように調整するかを調査し、これによりCARとECTの振幅を制御する役割を明らかにすること。
• 磁場の向きとスピン軌道結合が、特にスピンブロッキング効果を通じてECTを抑制または増幅する影響を検討すること。
• CARとECTの振幅が等しくなる条件を同定すること。これは、最小限のキタエフ鎖における「Poor Man’s Majoranas」を実現する上で重要な条件である。

提案手法

• 上部ゲート電極によって二つの量子ドットを形成した、超伝導体に近接するInSbナノワイヤデバイスをプロセスした。
• 低温輸送測定（40 mK）を実施し、局所的および非局所的コンダクタンス分光法を用いてCARおよびECT過程をプローブした。
• 静電的ゲートを適用して化学ポテンシャルを調整し、中間的なアンドレエフ束縛状態（ABS）の電荷を制御した。
• ナノワイヤ軸に対して磁場の向きを変化させ、スピン軌道場と相対的に変化させることで、CARおよびECT振幅に及ぼす異方性効果を調査した。
• フェルミオンの交換統計とトンネル経路の干渉に基づく理論モデルを用いて、観測されたコンダクタンス特徴を説明した。
• 磁場の向きの全球的依存性をマッピングし、チューナブルなスイートスポットを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静電的ゲートを用いて半導体-超伝導体ハイブリッド系において、CARとECTの比を決定的に調整可能か？
• RQ2 アンドレエフ束縛状態の電荷が干渉パターンおよびCARとECTの相対的強度に与える影響は何か？
• RQ3 スピン軌道結合および磁場の向きが、スピンブロッキングを通じてECTを抑制または増幅する役割は何か？
• RQ4 磁場の向きを独立した制御パラメータとして用いることで、CAR/ECT比を調整し、I_CAR = I_ECT を達成可能か？
• RQ5 ABSのエネルギーおよびスピン分裂が、干渉駆動のCARおよびECTの変調に与える影響は何か？

主な発見

• フェルミオンの交換統計に起因する破壊的干渉により、アンドレエフ束縛状態が電荷中性状態にあるとECTが顕著に抑制される。
• 静電的ゲートによるABSの電荷およびエネルギーの制御により、ECTとCARの比を広い範囲で調整可能である。
• 磁場が有効なスピン軌道場に平行に整列していると、ECTが抑制され、スピンブロッキング機構が働くことが示された。
• 磁場の向きはABSエネルギーおよびスピン軌道結合効果を変化させ、CARおよびECT振幅に対する追加の制御を可能にする。
• 磁場の全方向的依存性のマッピングにより、I_ECT / I_CAR = 1 となる連続的な領域が特定され、特定の磁場方向で最大の等振幅電流が同定された。
• ゲート制御と磁場制御の組み合わせにより、CARおよびECTの決定的最適化が可能となり、人工キタエフ鎖における重要な I_CAR = I_ECT 条件が達成された。