[論文レビュー] Induced superconductivity in a fractional quantum Hall edge

Önder Gül, Yuval Ronen+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高品質なグラフェンベースのヘテロ構造と細幅のニオブium窒化物（NbN）超伝導電極を用いて、分数量子ホール（FQH）エッジにおける誘導超伝導を実証した。低温でFQHエッジにおける交差アンドレーエフ効果（CAR）の非ゼロ確率が観測され、整数量子ホールエッジよりも高い値を示すことは、分数電荷の超伝導ペアリングを直接示す証拠となり、FQH-超伝導体ハイブリッド系におけるパラフェルミオンを介したユニバーサルなトポロジカル量子計算の道筋を示した。

ABSTRACT

Topological superconductors represent a phase of matter with nonlocal properties which cannot smoothly change from one phase to another, providing a robustness suitable for quantum computing. Substantial progress has been made towards a qubit based on Majorana modes, non-Abelian anyons of Ising ($Z_2$) topological order whose exchange$-$braiding$-$produces topologically protected logic operations. However, because braiding Ising anyons does not offer a universal quantum gate set, Majorana qubits are computationally limited. This drawback can be overcome by introducing parafermions, a novel generalized set of non-Abelian modes ($Z_n$), an array of which supports universal topological quantum computation. The primary route to synthesize parafermions involves inducing superconductivity in the fractional quantum Hall (fqH) edge. Here we use high-quality graphene-based van der Waals devices with narrow superconducting niobium nitride (NbN) electrodes, in which superconductivity and robust fqH coexist. We find crossed Andreev reflection (CAR) across the superconductor separating two counterpropagating fqH edges which demonstrates their superconducting pairing. Our observed CAR probability of the integer edges is insensitive to magnetic field, temperature, and filling, which provides evidence for spin-orbit coupling inherited from NbN enabling the pairing of the otherwise spin-polarized edges. FqH edges notably exhibit a CAR probability higher than that of integer edges once fully developed. This fqH CAR probability remains nonzero down to our lowest accessible temperature, suggesting superconducting pairing of fractional charges. These results provide a route to realize novel topological superconducting phases with universal braiding statistics in fqH-superconductor hybrid devices based on graphene and NbN.

研究の動機と目的

• ユニバーサルなトポロジカル量子計算を実現するための、パラフェルミオンを宿すトポロジカル超伝導相の実現。
• 非ユニバーサルなバーニング統計によりユニバーサルなゲートセットを欠くマヨラナ qubit の計算制限を克服。
• ハイブリッドデバイスにおける近接効果を通じて、FQHエッジにおける分数クーパー対の超伝導ペアリングを実証。
• スピン-軌道結合がスピン極化されたFQHエッジ状態のペアリングを可能にする役割を調査。

提案手法

• 細幅のニオブium窒化物（NbN）超伝導電極を備えた高品質なグラフェンベースのファンデルワールスヘテロ構造の作製。
• 強磁場と低温を用いて、安定した整数量子ホール状態および分数量子ホール状態を形成。
• 超伝導性バリアで分離された、互いに逆向きに伝播する2つのFQHエッジ間における交差アンドレーエフ効果（CAR）の測定。
• 磁場、温度、フィリングファクターを系統的に変化させ、CARの挙動を調査し、ペアリングメカニズムを区別。
• 整数量子ホール状態と分数量子ホール状態の間でのCAR確率を比較し、分数電荷ペアリングの特徴を特定。
• NbNに由来するスピン-軌道結合が、もともとスピン極化されたFQHエッジ状態のペアリングを媒介する役割を果たす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の超伝導体との近接結合によって、分数量子ホールエッジ状態に超伝導性が誘導されるか。
• RQ2 FQHエッジで観測された交差アンドレーエフ効果は、整数量子ホール状態のペアリングではなく、分数クーパー対のペアリングを示唆するか。
• RQ3 磁場や温度を変化させた場合、FQHエッジにおけるCAR確率は整数量子ホールエッジと比べてどのように異なるか。
• RQ4 NbNに由来するスピン-軌道結合は、スピン極化されたFQHエッジ状態のペアリングを可能にする役割を果たすか。
• RQ5 FQHエッジにおけるCAR信号はミリケルビン温度まで安定しており、トポロジカル超伝導ペアリングを示唆するか。

主な発見

• 交差アンドレーエフ効果（CAR）は整数量子ホールエッジおよび分数量子ホールエッジ両方で観測され、整数量子ホールエッジのCAR確率は磁場、温度、フィリングファクターに依存しない。
• FQHエッジにおけるCAR確率は完全に発達した後、整数量子ホールエッジを上回り、分数状態のペアリング効率が向上していることを示している。
• FQHエッジのCAR確率は、最低温度に達するまで非ゼロのままであり、分数クーパー対の強固な超伝導ペアリングを示唆している。
• 整数量子ホールエッジのCARが外部パラメータに依存しないことは、NbNに由来するスピン-軌道結合が、もともとスピン極化されたエッジ状態のペアリングを可能にするメカニズムであることを示している。
• 本結果は、FQHエッジにおける誘導的トポロジカル超伝導の強力な証拠を示しており、ユニバーサルなトポロジカル量子計算を実現するためのパラフェルミオンの実現に向けた重要な一歩である。