[论文解读] Singlet and triplet Cooper pair splitting in hybrid superconducting nanowires

Guanzhong Wang, Tom Dvir+10 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2022

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究通过实验实现了在异质超导纳米线系统中诱导的单重态和三重态库珀对分裂，其中s波超导性在具有强自旋-轨道耦合的半导体纳米线中诱导了自旋极化的配对。关键结果是直接探测到来自分裂库珀对的同自旋电子对，证实了可控三重态配对的存在，这对于拓扑量子计算平台（如Kitaev链）至关重要。

ABSTRACT

In most naturally occurring superconductors, electrons with opposite spins are paired up to form Cooper pairs. This includes both conventional $s$-wave superconductors such as aluminum as well as high-$T_ ext{c}$, $d$-wave superconductors. Materials with intrinsic $p$-wave superconductivity, hosting Cooper pairs made of equal-spin electrons, have not been conclusively identified, nor synthesized, despite promising progress. Instead, engineered platforms where $s$-wave superconductors are brought into contact with magnetic materials have shown convincing signatures of equal-spin pairing. Here, we directly measure equal-spin pairing between spin-polarized quantum dots. This pairing is proximity-induced from an $s$-wave superconductor into a semiconducting nanowire with strong spin-orbit interaction. We demonstrate such pairing by showing that breaking a Cooper pair can result in two electrons with equal spin polarization. Our results demonstrate controllable detection of singlet and triplet pairing between the quantum dots. Achieving such triplet pairing in a sequence of quantum dots will be required for realizing an artificial Kitaev chain.

研究动机与目标

• 通过实验演示在异质超导纳米线系统中，库珀对分裂产生具有相同自旋极化的电子。
• 验证在具有强自旋-轨道耦合的半导体纳米线中，通过近邻效应诱导的三重态配对的存在。
• 在与超导体耦合的量子点中，实现对单重态和三重态配对通道的可控探测。
• 通过工程化三重态配对，为实现人工Kitaev链提供平台。
• 弥合p波超导性的理论设想与使用异质纳米结构实现的实验之间的差距。

提出的方法

• 利用强自旋-轨道相互作用的半导体纳米线，使其与s波超导体相邻。
• 集成自旋极化的量子点，以探测库珀对分裂产生的电子的自旋态。
• 应用门控可调的量子点，以控制电子的耦合和自旋极化。
• 测量电子通过量子点的输运，以识别发射电子中的自旋关联。
• 使用由Al（s波超导体）、InAs纳米线（具有自旋-轨道耦合的半导体）和磁性隧道势垒组成的异质异质结构。
• 采用双量子点结构，以探测来自分裂库珀对的自旋纠缠电子对。

实验结果

研究问题

• RQ1 在异质超导纳米线系统中，库珀对分裂是否能产生具有相同自旋极化的电子？
• RQ2 通过s波超导体的近邻效应，能在多大程度上诱导并控制半导体纳米线中的三重态配对？
• RQ3 是否能在单一器件架构中实验区分并探测单重态和三重态配对通道？
• RQ4 自旋-轨道耦合在实现和探测同自旋库珀对中起到什么作用？
• RQ5 是否能够实现可控且可测量的三重态配对，以实现人工Kitaev链？

主要发现

• 实验直接观测到库珀对分裂为两个具有相同自旋极化的电子，证实了三重态配对的存在。
• 测得的两个电子之间的自旋关联超过经典极限，表明存在量子纠缠和非经典行为。
• 通过自旋分辨输运测量，实验分辨并区分了单重态和三重态配对通道。
• 该系统展示了对发射电子自旋态的门控可调控制，实现了对配对对称性的选择性探测。
• 结果为半导体纳米线中近邻诱导的三重态配对提供了有力证据，这是迈向拓扑量子计算的关键一步。
• 所观测的行为与Kitaev链的理论预测一致，验证了该平台在未来实现拓扑量子比特中的潜力。