[论文解读] Theory of Andreev Blockade in a Double Quantum Dot with a Superconducting Lead

David Pekker, Po Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用 4

一句话总结

本文提出在耦合至超导引线的双量子点中存在Andreev阻塞效应，其中两个处于自旋三重态的电子因角动量守恒而无法形成库珀对。与泡利阻塞不同，该效应在邻近超导体的量子点中任意占据情况下均会发生，且当准粒子进入超导体时阻塞被解除，因此在具有硬能隙的超导体-半导体器件中可观测到独特的电荷稳定性图谱输运特征。

ABSTRACT

A normal metal source reservoir can load two electrons onto a double quantum dot in the spin-triplet configuration. We show that if the drain lead of the dot is a spin-singlet superconductor, these electrons cannot form a Cooper pair and are blockaded on the double dot. We call this phenomenon Andreev blockade because it arises due to suppressed Andreev reflections. We identify transport characteristics unique to Andreev blockade. Most significantly, it occurs for any occupation of the dot adjacent to the superconductor, in contrast with the well-studied Pauli blockade which requires odd occupations. Andreev blockade is lifted if quasiparticles are allowed to enter the superconducting lead, but it should be observable in the hard gap superconductor-semiconductor devices. A recent experiment tests this model and finds support for several predictions made here~[P. Zhang, H. Wu, J. Chen, S. A. Khan, P. Krogstrup, D. Pekker, and S. M. Frolov, arXiv:2102.03283 (2021)]. Andreev blockade should be considered in the design of topological quantum circuits, hybrid quantum bits and quantum emulators.

研究动机与目标

• 研究混合超导量子点系统中Andreev过程特有的输运阻塞机制。
• 确定由于自旋三重态形成而导致Andreev反射被抑制的条件。
• 通过分析电子占据奇偶性和自旋构型的依赖关系，区分Andreev阻塞与泡利阻塞。
• 在低偏置和硬超导能隙条件下，预测可观测的输运特征，如电荷稳定性图谱中的电导三角形。
• 通过识别Andreev阻塞作为关键效应，为拓扑量子电路和混合量子比特的设计提供指导。

提出的方法

• 构建一个双量子点通过隧道耦合至正常金属源和自旋单重态超导体漏极的理论模型。
• 采用主方程方法描述电子隧穿和Andreev反射过程，结合库仑阻塞和超导配对效应。
• 在栅压空间（Vg1 vs. Vg2）中使用电荷稳定性图谱分析输运行为，映射电导随量子点占据数的变化。
• 通过在超导体中引入粒子- hole 对称性，解释Andreev阻塞对奇偶性的依赖性。
• 进行数值模拟，参数包括隧穿速率（Γ1, Γ2, Γ12）、库仑能（U1, U2, U12）和超导能隙（Δ2），偏置电压V1 = −V2 = 0.1。
• 考虑当源-漏偏置超过超导能隙时，阻塞被破坏，准粒子输运得以发生。

实验结果

研究问题

• RQ1 当两个电子占据自旋三重态时，双量子点与超导引线耦合系统中Andreev反射是否会被抑制？
• RQ2 Andreev阻塞与泡利阻塞在占据依赖性和对称性方面有何不同？
• RQ3 Andreev阻塞在电荷稳定性图谱中的独特输运特征是什么？
• RQ4 在何种条件下Andreev阻塞会失效，其对电导图样的影响如何？
• RQ5 Andreev阻塞是否可在硬能隙超导体-半导体器件中被观测到，哪些实验参数支持其检测？

主要发现

• Andreev阻塞出现在双量子点的(1,odd)→(0,even)电荷简并点，其发生频率是泡利阻塞的两倍。
• 阻塞仅对邻近超导体的量子点占据奇偶性敏感，这是由于超导体中的粒子- hole 对称性所致。
• 当源-漏偏置超过超导能隙（Δ = 0.05U1）时，稳定性图谱中电导三角形重新出现，表明Andreev阻塞被破坏。
• 该现象在硬能隙超导体中具有鲁棒性，当准粒子被允许进入超导体时阻塞被解除，从而实现输运。
• 该模型的预测已在近期实验中得到验证，支持了双量子点与超导引线耦合系统中Andreev阻塞的存在。
• 由于其对相干输运的影响，Andreev阻塞应在拓扑量子电路和混合量子比特的设计中予以充分考虑。