[論文レビュー] Superconductivity of neutral modes in quantum Hall edges

Jukka I. Väyrynen, Moshe Goldstein+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、量子ホールエッジ状態の電気的に中性なモードにおいて、従来の対合作用ではなく、任意統計を示す中性フェルミオン（neutralons）の四重化がもたらす新しい形の超伝導性を提案する。反対方向に伝播する中性モードを有する二層分数量子ホール系を用いて、弱い引力的相互作用と不純物に起因するトンネル過程が、トポロジカルに秩序した状態を安定化させることを示し、その検出はトンネル過程の抑制と量子ドットにおけるクーロン遮断の変化によって可能となる。

ABSTRACT

Edges of quantum Hall phases give rise to a multitude of exotic modes supporting quasiparticles of different values of charge and quantum statistics. Among these are neutralons (chargeless anyons with semion statistics), which were found to be ubiquitous in fractional quantum Hall matter. Studying and manipulating the neutral sector is an intriguing and interesting challenge, all the more so since these particles are accessible experimentally. Here we address the limit of strongly-interacting neutralons giving rise to neutralon superconductivity, where pairing is replaced by a quarteting mechanism. We discuss several manifestations of this effect, realizable in existing experimental platforms. Furthermore, this superconducting gapping mechanism may be exploited to facilitate the observation of interference of the accompanying charged anyons.

研究の動機と目的

• 量子ホールエッジの電気的中性モード系における強い相互作用の効果を調査すること。
• スレーター統計を示す電気的中性な任意粒子（anyons）における新しい超伝導メカニズムを特定すること。
• 既存の分数量子ホールプラットフォームを用いて、この新しい超伝導相の実験的シグネチャを提案すること。
• 中性モードをギャップ化することで、任意粒子干渉計のコherencesを向上させることの可能性を示すこと。

提案手法

• 反対方向に伝播する ν = 2/3 エッジモードを有する二層分数量子ホール構造を用い、KFPモデルの二重コピーを実現する。
• 中性子をスレーター統計を示すチャーミカルボソンとしてモデル化し、四重化に基づくペアリング機構を導出する。
• 摂動的レノルミング群（RG）解析を用いて、臨界定在ペアリング相互作用を同定する。
• 不純物に起因するトンネル過程と弱い密度-密度引力的相互作用を組み込み、ペアリング状態の安定化を実現する。
• モード展開を導出し、有限サイズ系における基底状態の degeneracy を解析し、パリティ領域を同定する。
• 量子点における電子トンネル過程の抑制と、クーロン遮断ピーク間隔の変化を用いた検出を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ホールエッジの電気的中性モード系における強い相互作用が、超伝導相を生じうるか？
• RQ2 スレーター統計を示す中性子におけるペアリングの性質は何か？ そして、従来のBCSペアリングとはどのように異なるか？
• RQ3 この新しい超伝導相は、既存の分数量子ホールプラットフォームでどのように実験的に検出可能か？
• RQ4 中性子をギャップ化することで、任意粒子干渉計の位相破壊を低減し、干渉縞の可視性を向上させられるか？

主な発見

• 電気的中性モード系は、従来のペアリングではなく、スレーター統計を示す中性子の四重化によって安定化される超伝導相を支持する。
• ペアリングは臨界定在であり、中性子の電気双極子モーメントと弱い引力的相互作用のおかげで、エッジの不純物が存在しても安定に保たれる。
• 中性子がギャップ化されている場合、量子点接触部における電子トンネルが低エネルギー領域で強く抑制され、I−V曲線とショットノイズのファノ因子で観測可能である。
• 量子ドットまたはアンチドットにおけるクーロン遮断ピーク間隔が、未ペアリングの中性子のエネルギー的コストによって変化し、ペアリングギャップの直接的シグネチャを提供する。
• 基底状態は、中性子数の4を法とするパリティ領域において4重に degeneracy を示すが、N+,0 = N−,0 の下では |0⟩ と |2⟩ のみが物理的に許容される。
• 中性子をギャップ化することで、それらが「経路情報」を測定する役割を果たさなくなり、結果として任意粒子干渉計における干渉縞の可視性が向上する。