[论文解读] Spectroscopy of non-local superconducting correlations in a double quantum dot

L. G. Herrmann, Pablo Burset+6 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Surface and Thin Film Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究通过非线性输运测量，在连接至超导电极的双量子点中，提供了非局域超导关联的光谱学证据，揭示了由相干库珀对分裂产生的亚能隙导电特征。关键发现是，分裂后的库珀对在双量子点内保持相干性，最优注入偏置为 $ V_{\text{inj}} \approx \Delta/2 $，此时库珀对电流相对于准粒子背景达到最大值。

ABSTRACT

We investigate non-linear transport in a double quantum dot connected to two normal electrodes and a central superconducting finger. By this means, we perform a transport spectroscopy of such a system which implements a Cooper pair splitter. The non-linear conductance exhibits strong subgap features which can be associated with the coherence of the injected Cooper pairs. Our findings are well accounted for by the recently developed microscopic theory of Cooper pairs splitters made in SWNTs.

研究动机与目标

• 通过非线性输运实验探测双量子点系统中的非局域超导关联。
• 确定注入的库珀对在分裂进入独立量子点后是否仍保持相干性。
• 确定最大化相干库珀对电流相对于准粒子电流的最优注入偏置。
• 为交叉 Andreev 反射导致的中间能级存在提供定量证据。
• 将实验结果与碳纳米管中库珀对分裂器的微观理论进行验证。

提出的方法

• 在由单壁碳纳米管制成的双量子点器件上进行非线性微分电导测量，该器件连接至两个正常金属电极和一个中心超导 Al/Pd 电极。
• 系统在 120 mK 下运行，以抑制热激发，从而实现对超导关联的观测。
• 在不同栅压和偏置下记录电导图，并利用磁场调节系统在超导态与正常态之间切换。
• 通过将实验数据与包含准粒子隧穿和 Andreev 过程的理论模型进行比较，分析亚能隙导电特征。
• 采用 BCS 状态密度与正常态微分电导的卷积作为拟合亚能隙电导的基线。
• 基于单壁碳纳米管中库珀对分裂器的微观模型进行理论计算，以重现并验证实验观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能通过光谱手段在双量子点系统中分辨出非局域超导关联，特别是相干库珀对分裂？
• RQ2 分裂后的库珀对在其在双量子点内的停留时间内是否保持相干性？
• RQ3 相对于准粒子电流，最大化分裂库珀对电流的最优注入偏置是什么？
• RQ4 在强耦合至正常电极的条件下，展宽的 Andreev 共振在电导图中如何表现？
• RQ5 所观测到的亚能隙电导是否可用超导体与双量子点的简单串联模型解释，还是其唯一源于非局域超导关联？

主要发现

• 在非线性区域观测到亚能隙电导脊，这些特征在纯准粒子隧穿中不存在，表明非局域 Andreev 过程占主导。
• 在反交叉点处，零偏置下无能隙，且低能电导表现出与 BCS 状态密度和正常电导卷积不一致的显著形状变化。
• 测得的亚能隙电导无法仅通过准粒子输运解释，为非局域超导关联提供了有力证据。
• 实验数据被单壁碳纳米管中库珀对分裂器的微观理论定量重现，证实了理论框架的有效性。
• 确定最优注入偏置为 $ V_{\text{inj}} \approx \Delta/2 $，此时微分电导使分裂库珀对电流相对于准粒子电流达到最大。
• 通过亚能隙电导拟合提取出能隙 $ \Delta \approx 85 \mu\text{eV} $，与 Al/Pd 电极的超导能隙一致。