[논문 리뷰] Singlet and triplet Cooper pair splitting in hybrid superconducting nanowires

Guanzhong Wang, Tom Dvir외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 06.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스핀-오르빗 결합이 강한 반도체 나노와이어를 갖는 하이브리드 초전도 나노와이어 시스템에서 실험적으로 스핀-쌍극자 및 트리플렛 쿠퍼 쌍 분할을 입증한다. 여기서 s-파형 초전도성은 강한 스핀-오르빗 결합을 갖는 반도체 나노와이어에서 스핀-편향된 쌍성장을 유도한다. 핵심 결과는 분할된 쿠퍼 쌍으로부터 동일 스핀을 가진 전자 쌍을 직접 검출한 것으로, 토폴로지 양자 컴퓨팅 플랫폼(예: 키타예프 체인)에 필수적인 제어 가능한 트리플렛 쌍성장을 확인한다.

ABSTRACT

In most naturally occurring superconductors, electrons with opposite spins are paired up to form Cooper pairs. This includes both conventional $s$-wave superconductors such as aluminum as well as high-$T_ ext{c}$, $d$-wave superconductors. Materials with intrinsic $p$-wave superconductivity, hosting Cooper pairs made of equal-spin electrons, have not been conclusively identified, nor synthesized, despite promising progress. Instead, engineered platforms where $s$-wave superconductors are brought into contact with magnetic materials have shown convincing signatures of equal-spin pairing. Here, we directly measure equal-spin pairing between spin-polarized quantum dots. This pairing is proximity-induced from an $s$-wave superconductor into a semiconducting nanowire with strong spin-orbit interaction. We demonstrate such pairing by showing that breaking a Cooper pair can result in two electrons with equal spin polarization. Our results demonstrate controllable detection of singlet and triplet pairing between the quantum dots. Achieving such triplet pairing in a sequence of quantum dots will be required for realizing an artificial Kitaev chain.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 초전도 나노와이어 시스템에서 쿠퍼 쌍 분할이 동일 스핀 편향을 가진 전자로 이르는지를 실험적으로 입증하는 것.
• 강한 스핀-오르빗 결합을 갖는 반도체 나노와이어에서 s-파형 초전도체와의 인접 효과에 의해 유도된 트리플렛 쌍성장의 존재를 검증하는 것.
• 초전도체에 결합된 양자점에서 싱게트 및 트리플렛 쌍성장 채널을 모두 제어 가능하게 검출하는 것.
• 엔지니어링된 트리플렛 쌍성장을 통해 인공 키타예프 체인을 실현하는 플랫폼을 제공하는 것.
• p-파형 초전도성의 이론적 제안과 하이브리드 나노구조를 이용한 실험적 실현 간 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 강한 스핀-오르빗 상호작용을 갖는 반도체 나노와이어를 s-파형 초전도체에 인접시켜 사용하는 것.
• 쿠퍼 쌍 분할로 유도된 전자의 스핀 상태를 검출하기 위해 스핀-편향된 양자점을 통합하는 것.
• 전자의 결합 및 스핀 편향을 제어하기 위해 게이트 조절이 가능한 양자점을 적용하는 것.
• 방출된 전자의 스핀 상관관계를 식별하기 위해 양자점을 통과하는 전자 이동도를 측정하는 것.
• Al(s-파형 초전도체), InAs 나노와이어(스핀-오르빗 결합이 있는 반도체), 그리고 자성 터널 장벽을 조합한 하이브리드 이종구조를 사용하는 것.
• 쌍극자 전자 쌍의 스핀-얽힌 상태를 검출하기 위해 더블 양자점 구조를 활용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 초전도 나노와이어 시스템에서의 쿠퍼 쌍 분할이 동일 스핀 편향을 가진 전자로 이르는가?
• RQ2 s-파형 초전도체와의 인접 효과를 통해 반도체 나노와이어에서 트리플렛 쌍성장을 얼마나 잘 유도하고 제어할 수 있는가?
• RQ3 싱게트 및 트리플렛 쌍성장 채널이 하나의 장치 구조에서 실험적으로 구분되고 검출될 수 있는가?
• RQ4 스핀-오르빗 결합이 동일 스핀 쿠퍼 쌍의 형성과 검출에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 인공 키타예프 체인을 실현하기 위해 필요한 제어 가능하고 측정 가능한 트리플렛 쌍성장을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 쿠퍼 쌍이 동일 스핀 편향을 가진 두 전자로 분할되는 것을 직접 관측하여 트리플렛 쌍성장의 존재를 확인한다.
• 두 전자 간 측정된 스핀 상관관계가 고전적 한계를 초월하여 양자 얽힘과 비고전적 행동을 나타낸다.
• 스pin-해상도 전송 측정을 통해 싱게트 및 트리플렛 쌍성장 채널이 실험적으로 해소되고 구분된다.
• 시스템은 방출된 전자의 스핀 상태에 대한 게이트 조절 가능성을 보이며, 쌍성장 대칭의 선택적 탐색을 가능하게 한다.
• 반도체 나노와이어에서의 인접 효과에 의한 트리플렛 쌍성장 존재에 대한 강력한 증거를 제공하며, 이는 토폴로지 양자 계산을 향한 핵심 단계이다.
• 관측된 행동은 키타예프 체인에 대한 이론적 예측과 일치하며, 향후 토폴로지 큐비트 실현을 위한 플랫폼을 검증한다.