特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）在大多數(shù)自然產(chǎn)生的超導(dǎo)體中，自旋相反的電子形成Cooper對。這既包括傳統(tǒng)的s波超導(dǎo)體，如鋁，也包括高轉(zhuǎn)變溫度的d波超導(dǎo)體。s波超導(dǎo)體與磁性材料接觸的工程平臺顯示了令人信服的等自旋配對特征。為了探測自旋配對，可以拆分庫珀對，分離兩個電子并測量它們的自旋。分裂庫珀對的過程被稱為交叉Andreev反射(CAR)。具有固有p波超導(dǎo)性的材料，即由等自旋電子組成的庫珀對，還沒有被最終確定，也沒有被合成。2、CAR還存在AR競爭過程，AR無法實現(xiàn)單獨自旋的測量CAR還有一些替代過程，如正常的Andreev反射(AR)，AR不能實現(xiàn)單獨自旋的測量，因此這個過程需要被抑制。
有鑒于此，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Tom Dvir等人直接測量了自旋極化量子點之間的等自旋配對。這種配對是從s波超導(dǎo)體到具有強自旋軌道相互作用的半導(dǎo)體納米線的鄰近誘導(dǎo)的。作者通過證明打破一個庫珀對可以得到兩個自旋極化相等的電子來證明這種配對。本工作的結(jié)果證明了量子點之間單線態(tài)和三線態(tài)配對的可控檢測。在一系列量子點中實現(xiàn)這樣的三重態(tài)配對是實現(xiàn)人工Kitaev鏈所必需的。作者設(shè)計了基于量子點的電荷探測裝置，實現(xiàn)了高效率的庫珀對分裂以及電荷探測。作者探究了零磁場下的自旋阻滯，表明如果一個特定自旋的電子需要隧穿到一個已經(jīng)被相同自旋占據(jù)的軌道上，ECT就不會發(fā)生；如果庫珀對必須從兩個點的等自旋占有中分裂或合并，CAR就不能進行。作者展示了CAR過程的自旋過濾的結(jié)果并量化CAR與量子點自旋排列反相關(guān)的觀察結(jié)果，得到了迄今為止報道最高的自旋反相關(guān)因子。通過使用具有大電荷能量的量子點實現(xiàn)了AR過程的抑制，該量子點僅允許1e躍遷，這將每個結(jié)中的2e AR抑制到總電流的大約5%。2、實現(xiàn)了彈性共同隧道效應(yīng)（ECT）和CAR的區(qū)分作者解析了在ECT中，1e從一個QD中減去并加到另一個QD中，而在CAR中，1e電荷在每個QD中同時被加或減去，利用這一差異來區(qū)分ECT和CAR。3、實現(xiàn)了三重態(tài)配對的可能性除了電荷探測，量子點還可以在磁場中被配置為自旋選擇性。在存在非均勻磁場或自旋軌道相互作用的情況下，自旋組合規(guī)則允許三重態(tài)配對的可能性。作者量化了CAR與量子點自旋排列反相關(guān)的觀察結(jié)果，當(dāng)配對是單線時，對于CAR信號，兩個QD自旋以0.86的因子反相關(guān)，這是迄今報道的最高值。
技術(shù)細節(jié)
作者設(shè)計了基于量子點的電荷探測裝置，QD軌道之間的能級間距超過1兆電子伏，使得在每個電荷簡并附近，QD可以被認為是單個軌道能級。為了研究實際上僅占據(jù)較高能量中間狀態(tài)的共隧穿過程，QD激發(fā)和偏置電壓保持在感應(yīng)超導(dǎo)間隙內(nèi)。作者通過SEM表明子間隙流的起源歸因于CAR和ECT，而不是競爭性的運輸過程。從該測量中提取出左右qd分別為91%和98%的庫珀對分裂可見度。本研究中報道的庫珀對分裂的高效率依賴于在鄰近段中具有硬超導(dǎo)間隙，并且每個QD具有多個門，允許獨立于QD-鉛耦合控制量子點的化學(xué)勢。自旋簡并軌道能級可以分別被兩個自旋相反的電子占據(jù)。作者展示了在兩條N引腳上都施加負偏壓時測得的電荷穩(wěn)定性圖。結(jié)果表明，相反的自旋可以重組為一個庫珀對。然而，只要兩個量子點都被相同的自旋占據(jù)，CAR就被抑制，從而阻礙了傳輸循環(huán)。作者展示了當(dāng)對N引線施加反對稱偏壓時類似的ECT介導(dǎo)的自旋阻滯以及所有四種偏置極性組合的CAR和ECT。四個聯(lián)合電荷簡并點中的一個呈現(xiàn)抑制電流，導(dǎo)致阻塞的尾旋構(gòu)形。總的來說，如果一個特定自旋的電子需要隧穿到一個已經(jīng)被相同自旋占據(jù)的軌道上，ECT就不會發(fā)生。另一方面，如果庫珀對必須從兩個點的等自旋占有中分裂或合并，CAR就不能進行。類似于雙量子點，阻斷條件下的剩余電流是由于超精細相互作用。在有限磁場B下，四個電荷簡并可以變成雙極自旋過濾器。這要求量子點中的塞曼能量超過偏壓、電子溫度和超精細相互作用，但仍小于量子點的能級間距。在這些條件下，作者展示了CAR過程的自旋過濾的結(jié)果，即平行自旋的完全抑制。對于僅允許自旋守恒隧穿的ECT，預(yù)期情況相反。為了量化CAR與量子點自旋排列反相關(guān)的觀察結(jié)果，作者進行了自旋相關(guān)分析，當(dāng)配對是單線時，對于CAR信號，兩個QD自旋以0.86的因子反相關(guān)，這是迄今報道的最高值。作者還研究了場角相關(guān)性，正如自旋-軌道相互作用引起的效應(yīng)所預(yù)期的。對應(yīng)于偏愛的自旋組合的信號并不總是表現(xiàn)出清晰的振蕩。
展望
總之，作者在N–QD–S–QD–N設(shè)備中實現(xiàn)了CAR和ECT的測量。作者在特定裝置中，利用QD探針中觀察到相等自旋態(tài)的庫珀對分裂。這些觀察結(jié)果與鄰近納米線中的超導(dǎo)配對中三重態(tài)成分的存在相一致，這是拓撲超導(dǎo)相的構(gòu)建模塊之一。本論文結(jié)果表明超導(dǎo)和SOC的結(jié)合可以在自旋極化的量子點之間產(chǎn)生三重態(tài)CAR，從而為人造Kitaev鏈鋪平了道路。Wang, G., Dvir, T., Mazur, G.P. et al. Singlet and triplet Cooper pair splitting in hybrid superconducting nanowires. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05352-2
