[论文解读] Quantum capacitance of a superconducting subgap state in an electrostatically floating dot-island

Filip K. Malinowski, R. K. Rupesh+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出一种射频反射测量技术，用于探测静电浮置InAs纳米线量子点（其外延Al壳层形成超导亚能隙态）中的量子电容。通过电容耦合量子点岛与谐振器，作者测量电荷转移并识别出‘热屏蔽’现象——即由于热激发进入准连续态而导致电容被抑制，该现象可通过单能级安德森杂质模型解释，从而实现对原本不稳定的量子态的稳定探测。

ABSTRACT

We study a hybrid device defined in an InAs nanowire with an epitaxial Al shell that consists of a quantum dot in contact with a superconducting island. The device is electrically floating, prohibiting transport measurements, but providing access to states that would otherwise be highly excited and unstable. Radio-frequency reflectometry with lumped-element resonators couples capacitatively to the quantum dot, and detects the presence of discrete subgap states. We perform a detailed study of the case with no island states, but with quantum-dot-induced subgap states controlled by the tunnel coupling. When the gap to the quasi-continuum of the excited states is small, the capacitance loading the resonator is strongly suppressed by thermal excitations, an effect we dub "thermal screening". The resonance frequency shift and changes in the quality factor at charge transitions can be accounted for using a single-level Anderson impurity model. The established measurement method, as well as the analysis and simulation framework, are applicable to more complex hybrid devices such as Andreev molecules or Kitaev chains.

研究动机与目标

• 研究由于电荷不稳定性和准粒子中毒而无法通过传统输运方法探测的超导量子点岛系统中的亚能隙态。
• 开发一种非侵入性、基于电容的测量技术，利用射频反射测量探测结极隔离器件中的离散量子态。
• 表征热激发在存在准连续态激发态时对抑制量子电容的影响，该现象被称为‘热屏蔽’。
• 建立基于安德森杂质模型和DMRG的理论与模拟框架，以分析系统的反应与耗散响应。

提出的方法

• 器件由具有外延Al壳层的InAs纳米线构成，形成隧穿耦合的量子点与超导岛，通过门控定义的势垒实现电荷固定。
• 射频谐振器通过电容耦合至量子点的栅极，通过共振频率与品质因数的变化检测电荷转移。
• 系统采用单能级安德森杂质哈密顿量建模，通过密度矩阵密度矩阵重正化群（DMRG）求解，以计算电荷磁化率与弛豫速率。
• 反应性（电容性）响应归因于瞬时本征态电荷分布的量子电容，而耗散则源于隧穿诱导的弛豫（西西弗斯电阻）。
• 通过重复扫描栅压获取数据，利用多组测量结果合成复合数据集，以减轻器件不稳定性并消除开关引起的伪影。
• 采用集总常数RLC电路模型，从反射系数中提取等效电容与电导，通过完整拟合提升信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 热激发进入准连续态对浮置量子点岛系统中超导亚能隙态的量子电容有何影响？
• RQ2 射频反射测量在电导隔离器件中（输运被禁止）能多大程度上探测到离散电荷转移？
• RQ3 观测到的共振频率偏移与品质因数变化能否通过单能级安德森杂质模型进行定量解释？
• RQ4 在该混合系统中，量子电容与隧穿电容对总谐振器加载的相对贡献如何？
• RQ5 在无准粒子中毒条件下，准连续态的存在如何影响亚能隙态的稳定性和可探测性？

主要发现

• 当亚能隙态与准连续态之间的能隙较小时，热屏蔽效应显著抑制量子电容，原因在于激发态的热占据。
• 电荷转移处的共振频率偏移与品质因数变化主要由电荷磁化率（量子电容）主导，而非隧穿电容。
• 与反应响应相比，与弛豫过程相关的有效电导（西西弗斯电阻）显著较小，但在谐振器耗散中留下可测量的痕迹。
• 系统表现出一个双稳态区域，栅压调制接近单调，使得可通过多轮扫描数据合成重建稳定的电荷稳定性图。
• 从库仑 diamonds 中提取出量子点和岛的充电能分别为 0.50 meV 和 0.20 meV，量子点的杠杆臂为 α = 0.82。
• 即使电容峰合并，电导中的双峰结构依然存在，表明各电荷转移具有独立的弛豫动力学。