[论文解读] Dominant non-local superconducting proximity effect due to electron-electron interaction in a ballistic double nanowire

Kento Ueda, Sadashige Matsuo+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究在弹道InAs双纳米线约瑟夫森结中展示了主导的非局域超导近邻效应，其中一维电子气中的电子-电子相互作用抑制了局域成对隧穿并增强了库珀对分裂（CPS）。观测到的两个纳米线中的开关电流均超过各自电流之和，表明非局域超导性主导于局域配对，且非局域耦合的超导能隙更大——这是实现时间反演对称的拓扑超导性和无需外磁场的Kramers型马约拉纳费米子对的关键条件。

ABSTRACT

Cooper pair splitting (CPS) can induce non-local correlation between two normal conductors coupling to a superconductor. CPS into a double one-dimensional electron gas is an appropriate platform for extracting large amount of entangled electron pairs and one of the key ingredients for engineering Majorana Fermions with no magnetic field. Here we study CPS using a Josephson junction of a gate-tunable ballistic InAs double nanowire. The measured switching current into the two nanowires significantly larger than sum of that into the respective nanowires, indicating the inter-wire superconductivity dominant compared to the intra-wire superconductivity. From dependence on the number of propagating channels in the nanowires, the observed CPS is assigned to one-dimensional electron-electron interaction. Our results will pave the way for utilizing one-dimensional electron-electron interaction to reveal physics of high-efficient CPS and engineer Majorana Fermions in double nanowire systems via CPS.

研究动机与目标

• 展示在局域成对隧穿（LPT）被抑制的弹道双纳米线系统中实现高效库珀对分裂（CPS）
• 研究一维电子-电子相互作用是否能主导并增强非局域超导关联而非局域关联
• 验证在弹道双纳米线约瑟夫森结中，非局域超导性是否强于局域超导性，这是实现时间反演对称拓扑超导性的必要条件
• 提供一种无需强外部磁场即可工程化马约拉纳费米子的平台

提出的方法

• 制备具有20 nm间距的门控可调弹道InAs双纳米线（DNW）约瑟夫森结，其两个Al电极间距为20 nm
• 测量开关电流随栅压和磁场的变化，以探测超导近邻效应
• 利用约瑟夫森结特性，通过IcRn乘积分析提取局域与非局域近邻效应的超导能隙能量
• 分析开关电流对传播模式数的依赖关系，以识别一维电子-电子相互作用的作用
• 通过与超导体耦合的汤姆诺加-卢蒂奇液体理论模型比较，分析测得的CPS贡献与LPT的对比
• 利用门控可调输运测量，将非局域关联与局域关联分离

实验结果

研究问题

• RQ1 双纳米线中的一维电子-电子相互作用是否能抑制局域成对隧穿并增强非局域库珀对分裂？
• RQ2 在弹道双纳米线约瑟夫森结中，非局域超导近邻效应是否强于局域效应？
• RQ3 观测到的非局域超导关联是否具有大于局域关联的超导能隙，表明有利于实现拓扑超导性的条件？
• RQ4 一维系统中的电子-电子相互作用是否可作为高效CPS的主导机制，而无需依赖隧穿势垒或量子点静电势？

主要发现

• 测得的两个纳米线中的开关电流均超过各自单独开关电流之和，表明存在主导的非局域超导近邻效应
• 由IcRn推导出的非局域超导能隙大于局域能隙，满足时间反演对称拓扑超导性的关键条件
• 观测到的CPS可归因于一维电子-电子相互作用，这一点由传播模式数的依赖关系得到证实
• 由于强电子-电子排斥作用，局域成对隧穿被抑制，该作用屏蔽了库仑相互作用并增强了非局域纠缠
• 该系统在无需强隧穿势垒或大量子点充电能的情况下，实现了高效率的CPS与LPT比值
• 本工作建立了一种新平台，可在无需外磁场的条件下工程化马约拉纳费米子