[論文レビュー] Spectroscopy of non-local superconducting correlations in a double quantum dot

L. G. Herrmann, Pablo Burset+6 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、超伝導電極に接続された二重量子ドット系において、非線形輸送測定を用いて非局所的超伝導相関の分光的証拠を示した。この手法により、コherentなコープス・ペア分割に起因する準位下限の電導特性が明らかになった。主な発見は、分割されたコープス・ペアが二重ドット内でもコherentな状態を保っていることで、最適な注入バイアスは $ V_{\text{inj}} \approx \Delta/2 $ であり、準粒子背景に対してペア電流を最大にする。

ABSTRACT

We investigate non-linear transport in a double quantum dot connected to two normal electrodes and a central superconducting finger. By this means, we perform a transport spectroscopy of such a system which implements a Cooper pair splitter. The non-linear conductance exhibits strong subgap features which can be associated with the coherence of the injected Cooper pairs. Our findings are well accounted for by the recently developed microscopic theory of Cooper pairs splitters made in SWNTs.

研究の動機と目的

• 非線形輸送を用いて、二重量子ドット系における非局所的超伝導相関を実験的に探査すること。
• 注入されたコープス・ペアが別々の量子ドットに分割された後もコherentな状態を保っているかどうかを特定すること。
• 準粒子電流に対して分割コープス・ペア電流を最大化するための最適な注入バイアスを同定すること。
• コープス・ペアスプリッターにおける交差アンドレーエフ反射に起因する中間準位の存在を定量的に証明すること。
• カbonナノチューブにおけるコープス・ペアスプリッターの微視的理論と実験的結果を照合すること。

提案手法

• 単一層カボンナノチューブを用いて作製された二重量子ドットデバイスに対して、非線形微分電導測定が実施された。このデバイスは、二つの通常金属電極と中央の超伝導体Al/Pd電極に接続されている。
• 熱的励起を抑制するため、システムは120 mKで動作させられ、超伝導相関の観察が可能になった。
• ゲート電圧とバイアスを変化させた状態で電導マップが記録され、磁場を用いて超伝導状態と通常状態との間を調整した。
• 準位下限の電導特徴は、準粒子トンネル効果とアンドレーエフ過程の両方を含む理論モデルと比較することで分析された。
• 準位下限電導のフィッティングのベースラインとして、BCS状態密度関数と通常状態の微分電導の畳み込みが用いられた。
• カボンナノチューブにおけるコープス・ペアスプリッターの微視的モデルに基づく理論的計算が、実験的観察の再現と検証に用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局所的超伝導相関、特にコherentなコープス・ペア分割が、二重量子ドット系において分光的に解明可能か？
• RQ2 分割されたコープス・ペアは、二重ドット内での留在時間中もそのコherenceを保っているか？
• RQ3 準粒子電流に対して分割コープス・ペア電流を最大にするための最適な注入バイアスは何か？
• RQ4 強い通常リードへの結合下で、広がったアンドレーエフ共鳴が電導マップにどのように現れるか？
• RQ5 観測された準位下限電導は、超伝導体と二重ドットの単純な直列モデルで説明可能か、それとも非局所的超伝導相関に起因する独自の特徴か？

主な発見

• 非線形領域において、純粋な準粒子トンネル効果に比べて存在しない準位下限電導リッジが観測された。これは、非局所的アンドレーエフ過程の支配的であることを示唆している。
• 反交差点ではゼロバイアスでギャップが存在せず、低エネルギー電導は、BCS状態密度関数と通常状態電導の単純な畳み込みとは一貫しない明確な形状変化を示した。
• 測定された準位下限電導は、準粒子輸送のみでは説明できないため、非局所的超伝導相関の強力な証拠となった。
• 実験的データは、カボンナノチューブにおけるコープス・ペアスプリッターの微視的理論によって定量的に再現され、理論的枠組みの妥当性が確認された。
• 最適な注入バイアスとして $ V_{\text{inj}} \approx \Delta/2 $ が特定され、この条件下で微分電導が分割コープス・ペア電流を準粒子電流に対して最大にした。
• 準位下限電導のフィットから、$ \Delta \approx 85 \mu\text{eV} $ のギャップが抽出され、Al/Pd電極の超伝導エネルギーギャップと整合的であった。