[论文解读] Entangling electrons by splitting Cooper pairs: Two-particle conductance resonance and time coincidence measurements

Anindya Das, Yuval Ronen+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2012

Quantum and electron transport phenomena参考文献 23被引用 5

一句话总结

该论文通过量子点抑制直接Andreev反射，在超导铝-InAs纳米线器件中实现了近乎100%效率的Cooper对分裂，利用正交叉相关性电流涨落与非局域电导测量，直接证实了来自分裂Cooper对的纠缠电子对的存在，实验上通过散粒噪声和磁场淬灭超导性的方式加以验证。

ABSTRACT

Entanglement, being at the heart of the Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradox, is a necessary ingredient in processing quantum information. Cooper pairs in superconductors - being composites of two fully entangled electrons - can be split adiabatically, thus forming entangled electrons. We fabricated such electron splitter by contacting an aluminum superconductor strip at the center of a suspended InAs nanowire; terminated at both ends with two normal metallic drains. Intercepting each half of the nanowire by gate - induced Coulomb blockaded quantum dot strongly impeded the flow of Cooper pairs due to large charging energy, while still permitting passage of single electrons. Here, we provide conclusive evidence of extremely high efficiency Cooper pairs splitting via observing positive average (conductance) and time (shot noise) correlations of the split electrons in the two opposite drains of the nanowire. Moreover, The actual charge of the injected quasiparticles was verified by shot noise measurements.

研究动机与目标

• 为超导体中通过分裂Cooper对产生纠缠电子对提供确凿的实验证据。
• 通过正常金属引线中库仑阻塞量子点抑制直接Andreev反射和背景Cooper对输运。
• 测量非局域电导与电流涨落交叉相关性，作为相干、纠缠电子发射的特征。
• 通过散粒噪声测量验证注入准粒子的电荷，并确认不存在经典相关性。
• 证明通过垂直磁场淬灭超导性可消除正交叉相关性，从而确认其源于Cooper对的相干分裂。

提出的方法

• 制备了带有中心铝超导接触和两个正常金漏极的悬空InAs纳米线器件，每个漏极均耦合有门控可调的量子点，处于库仑阻塞区域。
• 使用全局门和局部门形成两个空间分离的量子点，实现对单电子输运的控制，并抑制Cooper对输运。
• 通过门电压和源漏偏压的微分电导测量非局域电导，观察到Fabry-Perot振荡和Andreev反射特征。
• 采用低温电流放大器和冷前置放大器（1K），并使用LC谐振电路调谐至725 kHz，以滤波和放大电流涨落。
• 在725 kHz下使用模拟信号乘法器测量散粒噪声交叉相关性，检测到两个漏极之间电流涨落的正交叉相关性。
• 施加垂直磁场（约0.2 T）以淬灭超导性，并验证交叉相关性对Cooper对相干性的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导体中的Cooper对分裂能否产生表现出非局域、相关输运的纠缠电子对？
• RQ2 处于库仑阻塞区域的量子点能否有效抑制直接Andreev反射并隔离分裂Cooper对的贡献？
• RQ3 在Cooper对分裂后，两个空间分离的正常金属引线之间是否存在可测量的正电流涨落交叉相关性？
• RQ4 当通过磁场淬灭超导性时，正交叉相关性是否消失，从而确认其源于相干Cooper对分裂？
• RQ5 根据非局域电导和散粒噪声交叉相关性测量，Cooper对分裂的效率是多少？

主要发现

• 在两个正常金属漏极之间观察到电流涨落的正交叉相关性，信号强度约为~7–10 × 10⁻²⁹ A²/Hz，显著高于理论预期的~1.7 × 10⁻²⁹ A²/Hz。
• 非局域电导测量显示在特定门电压下出现共振峰，ΔGL与ΔGR表明存在相干输运，且在0.2 T磁场下非局域电导被抑制。
• 分裂效率（单电子输运与双电子输运之比）最高达到~100%，表明Cooper对分裂接近理想状态。
• 散粒噪声测量确认了注入准粒子的实际电荷，观测到的交叉相关性排除了经典噪声源的可能性。
• 在0.2 T磁场下，正交叉相关性消失，证实该效应源于超导Cooper对分裂，而非其他输运机制。
• 尽管理论预期如此，ΔGL被发现大于ΔGR，表明可能存在退相干效应或由于耦合量子点中电荷涨落引起的双电子输运不对称性。