[论文解读] Nonlocal conductance spectroscopy of Andreev bound states in gate-defined InAs/Al nanowires

Andreas Pöschl, Alisa Danilenko+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用门控定义的InAs/Al纳米线中的非局域电导谱学，探测Andreev束缚态（ABSs）的电荷特性。通过侧向耦合探针测量局域与非局域隧穿响应，作者发现ABS电荷随栅压在零附近振荡，证实了这些态的BCS类总电荷理论预测，且在能级极小值点和能级交叉处明显呈现从负电荷到正电荷的转变。

ABSTRACT

The charge character of Andreev bound states (ABSs) in a three-terminal semiconductor-superconductor hybrid nanowire was measured using local and nonlocal tunneling spectroscopy. The device is fabricated using an epitaxial InAs/Al two-dimensional heterostructure with several gate-defined side probes. ABSs are found to oscillate around zero as a function of gate voltage, with modifications of their charge consistent with theoretical expectations for the total Bardeen-Cooper- Schrieffer (BCS) charge of ABSs.

研究动机与目标

• 通过实验探测半导体-超导体异质结纳米线中Andreev束缚态（ABSs）的电荷特性。
• 研究在三端结构中，通过静电栅压调控，ABS电荷的演化行为。
• 利用非局域隧穿测量验证理论预测的ABS BCS类总电荷。
• 通过电荷与电导特征区分平凡与拓扑超导相。

提出的方法

• 利用外延生长的InAs/Al二维异质结构，通过门控定义横向探针，制备三端器件。
• 采用Ti/Au栅极与HfOx介质层控制隧穿势垒，实施局域与非局域隧穿谱学测量。
• 在不同栅压（V_WM）下，测量施加源-漏电压（V_SD）时的微分电导响应（I_L, I_R）。
• 通过非局域电导G_LR与G_RL的反对称与对称分量之比，提取电荷特性Q_j。
• 对栅压积分Q_j，并利用杠杆臂进行归一化，推断总ABS电荷与能量演化。
• 在零场与有限平面内磁场下比较结果，以分离超导与拓扑特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在门控定义的InAs/Al纳米线中，Andreev束缚态的电荷特性如何随静电栅压变化？
• RQ2 非局域电导谱学是否能在三端结构中分辨Andreev束缚态的总BCS电荷？
• RQ3 电导与电荷响应中的哪些特征可指示拓扑相变？
• RQ4 能级交叉与能量极小值在ABS电荷演化中如何体现？
• RQ5 实验测得的Q_j值在多大程度上与束缚态的实际能量相关？

主要发现

• 提取的Andreev束缚态电荷Q_j在态的能量极小值处发生从负到正的连续交叉，与理论预期一致。
• 在V_SD ≈ 0.2 mV附近的能级交叉点，Q_j出现从正到负的突变，表明主导电荷特性发生改变。
• Q_j为正的区域与ABS能量随栅压V_WM变化的正斜率区域一致，反之亦然。
• Q_L与Q_R的积分值在宽范围栅压下与推断的束缚态能量高度吻合，证实其与总ABS电荷成正比。
• 在高磁场（1.7 T）下，提取的Q_j值与实际态能量的相关性降低，可能由于V_SD = 0 V附近信号微弱与噪声影响。
• 非局域电导响应表现出与理论模型一致的对称关系，电导和G_sum与预期的亚能隙电导行为相符。