[论文解读] Superconductivity of neutral modes in quantum Hall edges

Jukka I. Väyrynen, Moshe Goldstein+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用 3

一句话总结

本文提出量子霍尔边缘态中性 sector 的一种新型超导态，其中任意子中性子的四聚化（而非传统配对）导致能隙超导相。通过使用具有反向传播中性模的双层分数量子霍尔系统，作者表明弱吸引相互作用与由无序诱导的隧穿可稳定一种拓扑有序态，从而可通过隧穿抑制和量子点中库仑阻塞的改变实现探测。

ABSTRACT

Edges of quantum Hall phases give rise to a multitude of exotic modes supporting quasiparticles of different values of charge and quantum statistics. Among these are neutralons (chargeless anyons with semion statistics), which were found to be ubiquitous in fractional quantum Hall matter. Studying and manipulating the neutral sector is an intriguing and interesting challenge, all the more so since these particles are accessible experimentally. Here we address the limit of strongly-interacting neutralons giving rise to neutralon superconductivity, where pairing is replaced by a quarteting mechanism. We discuss several manifestations of this effect, realizable in existing experimental platforms. Furthermore, this superconducting gapping mechanism may be exploited to facilitate the observation of interference of the accompanying charged anyons.

研究动机与目标

• 探索量子霍尔边缘态中性模区段中强相互作用的影响。
• 识别任意子中性子（具有任意统计性质）中新型超导机制。
• 提出利用现有分数量子霍尔平台探测该相的实验信号。
• 展示通过能隙化中性子可改善任意子干涉仪的性能。

提出的方法

• 使用具有反向传播 ν = 2/3 边缘模的双层分数量子霍尔结构，实现两个 KFP 模型的副本。
• 将中性子建模为具有任意统计性质的手征玻色子，从而导致基于四聚体的配对机制。
• 应用微扰重整化群（RG）分析以识别边际相关配对相互作用。
• 引入由无序诱导的隧穿和弱吸引密度-密度相互作用，以稳定配对相。
• 推导模展开并分析有限尺寸系统中的基态简并度，以识别宇称区段。
• 提出通过量子点接触处电子隧穿的抑制以及量子点中库仑阻塞峰间距的变化实现探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子霍尔边缘态中性模区段中的强相互作用是否可导致超导相？
• RQ2 具有任意统计性质的中性子的配对性质为何？其与传统 BCS 配对有何不同？
• RQ3 该新型超导相可在现有分数量子霍尔平台中如何实现实验探测？
• RQ4 通过能隙化中性子是否可减少退相干，从而提升任意子干涉仪的相干性？

主要发现

• 中性模区段支持一种由任意子中性子四聚化而非传统配对稳定的超导相。
• 该配对为边际相关，且由于中性子的偶极子性质与弱吸引相互作用，其在边缘无序存在下仍能维持。
• 当中的性子被能隙化时，电子在量子点接触处的隧穿在低能下显著抑制，其特征可体现在 I−V 曲线与散粒噪声 Fano 因子中。
• 量子点或反点中的库仑阻塞峰间距因未配对中性子的能量代价而发生偏移，从而提供配对能隙的直接信号。
• 基态在中性子数模四的宇称区段中呈现四重简并，且在 N+,0 = N−,0 条件下仅 |0⟩ 与 |2⟩ 为物理允许态。
• 能隙化中性子可抑制其作为“路径探测器”的作用，从而提升干涉测量中任意子干涉的可见度。