[论文解读] Supercurrent through a spin-split quasi-ballistic point contact in an InAs nanowire

Juan Carlos Estrada Saldaña, Rok Žitko+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 34被引用 9

一句话总结

本研究展示了在强自旋轨道耦合和Zeeman效应导致自旋分裂的准弹道InAs纳米线约瑟夫森结中，超导电流对磁场呈现非单调依赖关系。临界电流在零到π相变点处消失，并在更高磁场下恢复，该现象被解释为Kondo屏蔽与自旋极化双态之间的竞争，经由数值重整化群（NRG）计算和电导量子化测量所证实。

ABSTRACT

We study the superconducting proximity effect in an InAs nanowire contacted by Ta-based superconducting electrodes. Using local bottom gates, we control the potential landscape along the nanowire, tuning its conductance to a quasi-ballistic regime. At high magnetic field ($B$), we observe approximately quantized conductance plateaus associated with the first two spin-polarized one-dimensional modes. For $B < 1$ T, the onset of superconductivity occurs in concomitance with the development of sizeable charge localization leading to a 0.7-type conductance anomaly. In this regime, the proximity supercurrent exhibits an unusual, non-monotonic $B$ dependence. We interpret this finding in terms of a competition between the Kondo effect, dominating near $B=0$, and the Zeeman effect, enforcing spin polarization and the emergence of a $π$ phase shift in the Josephson relation at higher $B$.

研究动机与目标

• 研究在高磁场下，自旋分裂的准弹道InAs纳米线中超导近邻效应的行为。
• 探索在一维半导体纳米线中，Kondo效应与Zeeman诱导自旋极化之间的相互作用，该纳米线具有超导接触。
• 观察并解释约瑟夫森结中自旋分裂单能级输运的临界电流对磁场的非单调依赖关系。
• 建立电导异常（0.7型）与通过量子相变实现的超导电流抑制/恢复之间的关联。

提出的方法

• 制备了具有Ta基超导接触和双底栅的门控可调InAs纳米线器件，以调控势垒景观。
• 利用局部底栅将纳米线调制至准弹道区域，实现约0.9e²/h和1.8e²/h的量子化电导平台。
• 测量了正常态电导和超导电流随磁场和栅压的变化，已对串联电阻Rs进行修正。
• 应用修正的RCSJ模型，考虑热噪声和多次Andreev反射，从dI/dV数据中提取临界电流Ic。
• 对具有栅压依赖隧道耦合的Anderson型模型进行数值重整化群（NRG）计算，以模拟超导电流和电导。
• 从B=0 T时BCS峰间距提取超导能隙Δ = 0.08 meV，与Ta薄膜的Tc一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 当自旋分裂由磁场诱导时，准弹道InAs纳米线约瑟夫森结中的超导电流如何随磁场变化？
• RQ2 实验中观察到的临界电流非单调磁场依赖性的成因是什么？
• RQ3 低磁场下0.7型电导异常与超导电流抑制及重新出现的相关性程度如何？
• RQ4 所观察到的临界电流行为是否可由自旋单重态到自旋双重态基态的量子相变来解释？
• RQ5 Kondo效应与Zeeman分裂之间的竞争如何影响具有强自旋轨道耦合的一维纳米线中的约瑟夫森相位？

主要发现

• 超导电流对磁场表现出非单调依赖关系，在临界磁场处发生0到π相变时电流消失。
• 在高磁场下（B > 1 T），0.9e²/h和1.8e²/h的电导平台证实了自旋极化一维模式的存在。
• 在低磁场下（B < 1 T），由于电荷局域化，出现0.7型电导异常，与超导性的起始同步。
• 在高磁场下，由于Zeeman分裂稳定了自旋1/2双重态基态，临界电流恢复，导致约瑟夫森关系中出现π相移。
• NRG模拟再现了实验的Ic(B)曲线，证实了从自旋单重态（0相）到自旋双重态（π相）基态的转变。
• 超导电流在电导中表现为一个窄的零偏压峰，其宽度在几μeV量级，与T = 15 mK时约瑟夫森能量与热能相当的预期一致。