[论文解读] Crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling in a three-site Kitaev chain nanowire device

Alberto Bordin, Xiang Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本研究在由InSb纳米线制成的三量子点Kitaev链中实现了交叉Andreev反射（CAR）和弹性共隧穿（ECT）。作者在相邻量子点之间实现了成对的CAR与ECT，并观测到跨越所有三个量子点的顺序CAR与ECT过程，证实了在更长的Kitaev链中实现拓扑超导性的可行性。

ABSTRACT

The formation of a topological superconducting phase in a quantum-dot-based Kitaev chain requires nearest neighbor crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling. Here we report on a hybrid InSb nanowire in a three-site Kitaev chain geometry - the smallest system with well-defined bulk and edge - where two superconductor-semiconductor hybrids separate three quantum dots. We demonstrate pairwise crossed Andreev reflection and elastic co-tunneling between both pairs of neighboring dots and show sequential tunneling processes involving all three quantum dots. These results are the next step towards the realization of topological superconductivity in long Kitaev chain devices with many coupled quantum dots.

研究动机与目标

• 利用InSb纳米线构建一个具有明确体态与边界态的最小三量子点Kitaev链器件。
• 在受控的纳米线结构中，证明相邻量子点之间存在交叉Andreev反射（CAR）和弹性共隧穿（ECT）。
• 验证涉及所有三个量子点的顺序CAR与ECT过程，这对实现拓扑超导性至关重要。
• 建立一个用于实现长程纠缠及未来在扩展Kitaev链中实现Majorana束缚态的平台。

提出的方法

• 制备了具有三个量子点（QD1、QD2、QD3）的InSb纳米线异质结构器件，由两个超导-半导体异质结段（S1、S2）分隔。
• 通过11个指状栅极的栅压调节三个量子点的化学势，并控制隧穿势垒。
• 对所有四个端口（NL、NR、S1、S2）独立施加电压与电流偏置，测量输运电流并识别CAR与ECT过程。
• 通过库仑钻石光谱和微分电导测量提取量子点的充电能（3–4 mV）和杠杆臂（约0.3）。
• 采用对称与反对称偏置构型，以区分链中顺序的CAR与ECT过程。
• 分析电流响应随栅压（VQD1、VQD2、VQD3）的变化，识别在不同化学势条件下CAR与ECT的特征。

Fig. 1: a. False-colored scanning electron micrograph of the measured device. An InSb nanowire (green) is deposited on top of 11 finger gates (red) and it is contacted with two superconducting leads S 1 and S 2 (blue) and two normal leads $\mathrm{N}_{\textrm{L}}$ and $\mathrm{N}_{\textrm{R}}$ (yell

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在三量子点Kitaev链中同时观测到相邻量子点之间的交叉Andreev反射（CAR）和弹性共隧穿（ECT）？
• RQ2 在零磁场条件下，CAR与ECT过程如何介导三量子点链中的输运？
• RQ3 是否能实验分辨并区分涉及所有三个量子点的顺序CAR与ECT过程？
• RQ4 CAR与ECT主导的条件是什么？它们如何依赖于量子点化学势的对齐？
• RQ5 该三量子点器件能否作为实现拓扑超导性与长程纠缠的可扩展平台？

主要发现

• 在QD1–QD2与QD2–QD3之间观测到成对的交叉Andreev反射（CAR）和弹性共隧穿（ECT），所有端口的电流响应中均显示出清晰的特征。
• 三个量子点的充电能分别为4 mV、3.5 mV和3.3 mV，杠杆臂分别为约0.32、0.33和0.31。
• 当μ1 = μ2 = μ3时，通过电流图中正斜率对角线识别出顺序ECT过程，该特征在I_L与I_R中于反对称偏置下可见。
• 在相同条件下，所有电流图中负斜率对角线表明观测到顺序CAR过程，与μ1 = -μ2 = μ3一致。
• 在对称偏置（V_L = V_R）下，通过I_S2与I_S1的电流响应可分别区分ECT后接CAR与CAR后接ECT过程。
• 通过调节量子点化学势，器件实现了对输运路径的完全控制，证实了将此类系统扩展至更长链以实现拓扑超导性的可行性。

Fig. 2: a., b. Schematic diagrams of CAR and ECT processes between $\mathrm{QD}_{1}$ and $\mathrm{QD}_{2}$ . CAR is measured by applying $V_{\mathrm{b}}$ on $\mathrm{N}_{\textrm{L}}$ and $V_{\mathrm{b}}+\Delta/e$ on $\mathrm{S}_{\textrm{2}}$ (panel a). ECT is measured by applying $V_{\mathrm{b}}$ on