[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过静电栅控和磁场调控，在基于InSb纳米线的混合超导器件中实现了对交叉Andreev反射（CAR）与弹性共隧穿（ECT）的确定性控制。通过利用Andreev束缚态（ABS）中电子与空穴分量的干涉，精确调节CAR与ECT的比值，实现了CAR与ECT振幅相等——这是在人工Kitaev链中实现Majorana零模的关键条件。

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.

研究动机与目标

• 在半导体-超导体混合器件中实现对交叉Andreev反射（CAR）与弹性共隧穿（ECT）比值的确定性控制。
• 研究Andreev束缚态（ABS）如何通过电子与空穴分量的干涉介导CAR与ECT过程。
• 探讨静电栅压在调控ABS的电荷与能量方面的作用，从而调节CAR与ECT振幅。
• 考察磁场方向与自旋-轨道耦合对CAR与ECT的影响，特别是通过自旋阻塞效应的作用。
• 确定CAR与ECT振幅相等的条件，这是在最小Kitaev链中实现“穷人版Majorana零模”的关键要求。

提出的方法

• 制备了具有近邻超导段和双量子点（由顶栅电极定义）的InSb纳米线器件。
• 在低温（40 mK）下进行输运测量，采用局域与非局域电导谱探测CAR与ECT过程。
• 施加静电栅压以调节化学势并控制中间Andreev束缚态（ABS）的电荷。
• 改变磁场方向相对于纳米线轴线及自旋-轨道场的方向，以探测CAR与ECT振幅的各向异性效应。
• 基于费米子交换统计与隧穿路径干涉的理论模型，解释观测到的电导特征。
• 绘制了CAR与ECT在磁场方向球面上的完整角度依赖关系，以识别可调谐的最优工作点。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过静电栅压在半导体-超导体混合系统中确定性地调节CAR与ECT的比值？
• RQ2 Andreev束缚态的电荷如何影响干涉图案及其对CAR与ECT相对强度的影响？
• RQ3 自旋-轨道耦合与磁场方向在通过自旋阻塞机制抑制或增强ECT方面起什么作用？
• RQ4 磁场方向能否作为独立调控参数，用于调节CAR/ECT比值并实现I_CAR = I_ECT？
• RQ5 ABS的能量与自旋分裂如何影响CAR与ECT的干涉驱动调制？

主要发现

• 当Andreev束缚态呈电中性时，ECT显著被抑制，这是由于费米子交换统计引起的破坏性干涉所致。
• 通过静电栅压可广泛调节ECT与CAR的比值，该调控通过控制ABS的电荷与能量实现。
• 当磁场方向与有效自旋-轨道场平行时，ECT受到抑制，表明存在自旋阻塞机制。
• 磁场方向同时改变ABS能量与自旋-轨道耦合效应，从而为CAR与ECT振幅提供额外调控自由度。
• 全球磁场依赖性分析揭示了一条连续的轨迹，使得I_ECT / I_CAR = 1，且在特定磁场方向下识别出最大等幅电流。
• 栅压调控与磁场控制的结合可实现CAR与ECT的确定性优化，达到人工Kitaev链中实现I_CAR = I_ECT的关键条件。