[论文解读] Spin-resolved spectroscopy using a quantum dot defined in InAs 2DEG

Alisa Danilenko, Andreas Pöschl+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 7

一句话总结

本研究在InAs/Al异质结纳米线中引入侧向耦合的量子点（QD），以实现自旋分辨的隧穿谱学。通过利用外磁场下QD能级的Zeeman分裂，作者实现了对亚能隙态的自旋与电荷选择性探测，测量了相对g因子和极化度，关键结果表明自旋分裂与g因子~1.7一致，并在Andreev束缚态中发现了从单重态到三重态转变的证据。

ABSTRACT

We realize a device, based on InAs two-dimensional electron gas proximitized by superconducting Al, which allows a single quantum dot level to be used as a spectrometer of the density of states in a nanowire. Applying a magnetic field parallel to the plane of the device causes the levels of the dot to split, enabling spin resolved spectroscopy. Using this method, we are able to study the spin and charge polarization of the allowed transport through sub-gap states which form in the nanowire and evolve with varying magnetic field and gate voltage.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性的自旋分辨探测方法，用于异质结超导体-半导体纳米线中的亚能隙态，利用侧向定义的量子点实现。
• 测量Andreev束缚态（ABSs）的自旋和电荷极化度及其在外磁场和栅压下的演化行为。
• 通过QD能级的Zeeman分裂，确定QD与亚能隙态之间g因子的相对符号和大小。
• 证明即使未完全耗尽，多电子QD能级也可作为有效的自旋滤波器，实现实用的自旋谱学。
• 通过栅控开关QD的开启/关闭状态，实现与标准隧穿谱学的直接对比。

提出的方法

• 通过静电栅控在二维InAs/Al异质结中实现横向耗尽，形成准一维超导纳米线。
• 利用分裂栅（DL、DR、H）在多个探测位置形成侧向耦合的量子点，实现与纳米线的弱耦合，从而实现非侵入式探测。
• 沿纳米线轴向施加磁场（B||）诱导QD能级的Zeeman分裂，实现自旋选择性隧穿谱学。
• 通过顺序隧穿于自旋分裂的QD能级，分辨局域态密度（DOS）的自旋向上与自旋向下的组分。
• 结合库仑阻塞测量与隧穿谱学，通过调节栅压控制化学势，提取自旋与电荷极化度。
• 将所有与QD相关的栅压设为0 V以关闭QD，从而实现与传统隧穿谱学的直接对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 侧向定义的量子点能否作为异质结纳米线中亚能隙态的自旋分辨谱仪？
• RQ2 Andreev束缚态的g因子与QD的g因子相比，其相对符号和大小如何？
• RQ3 自旋与电荷极化度如何随外磁场和栅压演化？
• RQ4 具有奇偶填充结构的多电子QD能级是否可在无需完全耗尽的情况下作为有效的自旋滤波器？
• RQ5 自旋轨道耦合如何影响系统中观测到的自旋与电荷极化度？

主要发现

• 基于QD的谱仪测得系统的g因子约为1.7，与基于量子点通道（QPC）的隧穿测量结果一致。
• QD能级的Zeeman分裂使得能够分别探测局域态密度的自旋向上与自旋向下的组分。
• 确定了QD与亚能隙态g因子的相对符号，支持了从单重态到三重态转变的物理图像。
• 自旋与电荷极化度测量显示其随外磁场的渐进演化，表明存在强自旋轨道耦合。
• 系统在间隙中表现出清晰的束缚态自旋分裂，外磁场下观察到反交叉行为。
• 该方法可实现自旋与电荷极化度的定量提取，为探测亚能隙态的自旋纹理与宇称提供了一种新工具。