[论文解读] Triplet correlations in Cooper pair splitters realized in a two-dimensional electron gas

Qingzhen Wang, Sebastiaan L. D. ten Haaf+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 35被引用 11

一句话总结

本研究首次在二维电子气（2DEG）中通过基于半导体InSbAs异质结构的双量子点与超导体耦合，实现了库珀对分裂（CPS）的观测。通过施加磁场使量子点极化为自旋滤波器，研究者分辨了单重态（反平行自旋）和三重态（平行自旋）配对通道，由于强自旋轨道耦合，两者幅度相近，CPS效率超过90%，实现了可调谐的交叉Andreev反射与弹性共隧穿，为人工Kitaev链的构建提供了关键支持。

ABSTRACT

Cooper pairs occupy the ground state of superconductors and are typically composed of maximally entangled electrons with opposite spin. In order to study the spin and entanglement properties of these electrons, one must separate them spatially via a process known as Cooper pair splitting (CPS). Here we provide the first demonstration of CPS in a semiconductor two-dimensional electron gas (2DEG). By coupling two quantum dots to a superconductor-semiconductor hybrid region we achieve efficient Cooper pair splitting, and clearly distinguish it from other local and non-local processes. When the spin degeneracy of the dots is lifted, they can be operated as spin-filters to obtain information about the spin of the electrons forming the Cooper pair. Not only do we observe a near perfect splitting of Cooper pairs into opposite-spin electrons (i.e. conventional singlet pairing), but also into equal-spin electrons, thus achieving triplet correlations between the quantum dots. Importantly, the exceptionally large spin-orbit interaction in our 2DEGs results in a strong triplet component, comparable in amplitude to the singlet pairing. The demonstration of CPS in a scalable and flexible platform provides a credible route to study on-chip entanglement and topological superconductivity in the form of artificial Kitaev chains.

研究动机与目标

• 在二维电子气（2DEG）中实现库珀对分裂（CPS），该平台相较于一维系统具有更高的设计灵活性。
• 区分并隔离交叉Andreev反射（CAR）与弹性共隧穿（ECT）过程，与局域过程（如正常Andreev反射）相区分。
• 通过施加磁场下的量子点作为自旋滤波器，探测库珀对的自旋与纠缠特性。
• 研究在强自旋轨道耦合的2DEG中，单重态与三重态配对通道的共存性与可调性。
• 建立可扩展的平台，用于实现人工Kitaev链并研究拓扑超导性。

提出的方法

• 利用外延生长的铝膜与InSbAs 2DEG制成器件，集成两个量子点（QDL与QDR），耦合至超导体-半导体异质结构区域。
• 通过电控栅极调节量子点能级至电荷简并点，确保强库仑阻塞效应并促进单电子隧穿。
• 采用三端口输运测量，施加对称与反对称偏置，通过相关电流分析区分CAR（I_L = I_R）与ECT（I_L = -I_R）。
• 施加磁场以解除自旋简并，利用量子点作为自旋滤波器，实现对库珀对中电子自旋态的选择性探测。
• 计算相关电流 I_corr ≡ sgn(I_L I_R) ⋅ I_L I_R，明确识别CAR（正值）与ECT（负值）特征。
• 调节磁场方向相对于自旋轨道场的角度，控制CAR与ECT的相对幅度，实现两者相等，满足实现Kitaev链的关键条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在二维电子气中高效实现库珀对分裂，并与局域过程相区分？
• RQ2 在强自旋轨道耦合的2DEG中，能否分辨单重态与三重态配对通道？
• RQ3 能否在2DEG平台上将交叉Andreev反射与弹性共隧穿的相对幅度调节至相等？
• RQ4 2DEG中强自旋轨道耦合在多大程度上导致反平行自旋与平行自旋库珀对分裂的贡献相当？
• RQ5 该系统能否作为可扩展平台，用于实现人工Kitaev链并研究拓扑超导性？

主要发现

• 本研究首次在二维电子气中实现库珀对分裂，联合CPS效率超过90%。
• 单重态（反平行自旋）与三重态（平行自旋）配对通道均被清晰分辨，由于InSbAs 2DEG中强自旋轨道耦合，两者幅度相近。
• 相关电流 I_corr 成功区分CAR（正值）与ECT（负值），证实了输运过程的非局域特性。
• 在零磁场下，自旋阻塞抑制输运，证实了自旋在CPS过程中的关键作用。
• 通过调节磁场方向相对于自旋轨道场的角度，CAR与ECT的幅度被调节至相等，满足实现Kitaev链的关键条件。
• 当能量与偏置条件不满足时，未观测到非相关信号，证实了局域过程（如正常Andreev反射）被有效抑制。