[论文解读] Electronic Transport in Double-Nanowire Superconducting Islands with Multiple Terminals

Alexandros Vekris, Juan Carlos Estrada Saldaña+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 66被引用 10

一句话总结

本研究展示了具有共同亚能隙态的门控可调、多端口双纳米线超导岛，该亚能隙态在整个异质结构中扩展。通过原位生长的InAs/Al纳米线，作者观察到所有端口对之间的库仑阻塞峰间距完全相同，证实了负责输运的单一非局域束缚态的存在，且未观察到准粒子中毒现象。

ABSTRACT

We characterize in-situ grown parallel nanowires bridged by a superconducting island. The magnetic-field and temperature dependence of Coulomb blockade peaks measured across different pairs of nanowire ends are consistent with a sub-gap state extended over the hybrid parallel-nanowire island. Being gate-tunable, accessible by multiple terminals and free of quasiparticle poisoning, these nanowires show promise for the implementation of several proposals that rely on parallel nanowire platforms.

研究动机与目标

• 实现并表征基于原位生长双InAs纳米线并由外延Al桥接的多端口超导岛。
• 研究在具有多个电接触的异质纳米线平台上亚能隙态的存在与性质。
• 通过多端口输运测量确定该岛中是否存在跨越所有四个纳米线端部的共同束缚态。
• 在适用于拓扑量子计算的系统中展示门控可调性及准粒子中毒免疫性。
• 为具有四个隧道耦合输运通道的超导岛中非局域、扩展的亚能隙态提供实验证据。

提出的方法

• 通过原位分子束外延生长平行InAs纳米线，控制间距与直径，随后外延Al覆盖以形成超导岛。
• 采用电子束光刻与选择性刻蚀工艺，定义300 nm长的超导岛，配备四个金属接触（T1–T4）和栅极电极（Vg1–Vg4）。
• 在不同栅压（Visland）和磁场下，测量六种两终端配置下的微分电导（dI/dV）。
• 基于偶数与奇数电荷态之间自由能差的热力学模型，一致地提取所有端口对的亚能隙束缚态能量（E0）。
• 通过分析库仑阻塞峰间距及磁场依赖性，推断存在一个共同的、扩展的亚能隙态。
• 采用抛物线能级模型（E(N0) = e²/2C × (N0 − N0)²）描述充电行为，其中E0为奇数电子占据时亚能隙态的能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有四个隧道耦合端口的双纳米线超导岛中，是否存在一个单一的、共同的亚能隙态并跨越整个岛体？
• RQ2 不同两终端组合之间的库仑阻塞峰间距是否与单一束缚态一致，表明其非局域性？
• RQ3 能否通过电荷能的热力学模型，从多个端口对中一致地提取亚能隙态的能量？
• RQ4 输运行为是否免于准粒子中毒，从而实现稳定、相干的测量？
• RQ5 峰的磁场与温度依赖性如何支持非局域、扩展束缚态的存在？

主要发现

• 在器件A的所有六种两终端配置中均观察到相同的库仑阻塞峰间距，表明存在一个与所有四个纳米线端部耦合的共同亚能隙态。
• 所有端口对和栅压配置下提取的亚能隙束缚态能量（E0）一致，E0 ≈ 0.2 meV，支持单一、扩展态的存在。
• 峰的磁场与温度依赖性与亚能隙态的理论预期相符，未发现局域化扰动的迹象。
• 在器件B中，观察到双电子充电且无准粒子中毒，证实岛内存在长寿命、相干的电荷态。
• 该系统表现出对岛电荷及与所有端口耦合的门控可调性，可实现对亚能隙态占据的调控。
• 在高耦合不对称性设置（如设置II）中未发现额外峰，支持不存在多个局域态，更倾向于单一、离域的束缚态。