​纳米线，再发Nature！

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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

研究背景

在大多数自然产生的超导体中，自旋相反的电子形成Cooper对。这既包括传统的s波超导体，如铝，也包括高转变温度的d波超导体。s波超导体与磁性材料接触的工程平台显示了令人信服的等自旋配对特征。为了探测自旋配对，可以拆分库珀对，分离两个电子并测量它们的自旋。分裂库珀对的过程被称为交叉Andreev反射(CAR)。

关键问题

然而，库珀对分离仍存在以下问题：

1、p波超导性材料仍未确定，也未被合成

具有固有p波超导性的材料，即由等自旋电子组成的库珀对，还没有被最终确定，也没有被合成。

2、CAR还存在AR竞争过程，AR无法实现单独自旋的测量

CAR还有一些替代过程，如正常的Andreev反射(AR)，AR不能实现单独自旋的测量，因此这个过程需要被抑制。

新思路

有鉴于此，荷兰代尔夫特理工大学Tom Dvir等人直接测量了自旋极化量子点之间的等自旋配对。这种配对是从s波超导体到具有强自旋轨道相互作用的半导体纳米线的邻近诱导的。作者通过证明打破一个库珀对可以得到两个自旋极化相等的电子来证明这种配对。本工作的结果证明了量子点之间单线态和三线态配对的可控检测。在一系列量子点中实现这样的三重态配对是实现人工Kitaev链所必需的。

技术方案：

1、开发了电荷过滤装置

作者设计了基于量子点的电荷探测装置，实现了高效率的库珀对分裂以及电荷探测。

2、探究了零磁场下的自旋阻滞

作者探究了零磁场下的自旋阻滞，表明如果一个特定自旋的电子需要隧穿到一个已经被相同自旋占据的轨道上，ECT就不会发生；如果库珀对必须从两个点的等自旋占有中分裂或合并，CAR就不能进行。

3、解析了自旋过滤机制

作者展示了CAR过程的自旋过滤的结果并量化CAR与量子点自旋排列反相关的观察结果，得到了迄今为止报道最高的自旋反相关因子。

技术优势：

1、利用量子点大幅度抑制了AR过程

通过使用具有大电荷能量的量子点实现了AR过程的抑制，该量子点仅允许1e跃迁，这将每个结中的2e AR抑制到总电流的大约5%。

2、实现了弹性共同隧道效应（ECT）和CAR的区分

作者解析了在ECT中，1e从一个QD中减去并加到另一个QD中，而在CAR中，1e电荷在每个QD中同时被加或减去，利用这一差异来区分ECT和CAR。

3、实现了三重态配对的可能性

除了电荷探测，量子点还可以在磁场中被配置为自旋选择性。在存在非均匀磁场或自旋轨道相互作用的情况下，自旋组合规则允许三重态配对的可能性。

4、获得了迄今报道最高的自旋相关因子

作者量化了CAR与量子点自旋排列反相关的观察结果，当配对是单线时，对于CAR信号，两个QD自旋以0.86的因子反相关，这是迄今报道的最高值。

技术细节

电荷过滤

作者设计了基于量子点的电荷探测装置，QD轨道之间的能级间距超过1兆电子伏，使得在每个电荷简并附近，QD可以被认为是单个轨道能级。为了研究实际上仅占据较高能量中间状态的共隧穿过程，QD激发和偏置电压保持在感应超导间隙内。作者通过SEM表明子间隙流的起源归因于CAR和ECT，而不是竞争性的运输过程。从该测量中提取出左右qd分别为91%和98%的库珀对分裂可见度。本研究中报道的库珀对分裂的高效率依赖于在邻近段中具有硬超导间隙，并且每个QD具有多个门，允许独立于QD-铅耦合控制量子点的化学势。

图  运输过程、设备和能量图

图  CAR和ECT

零磁场下的自旋阻滞

自旋简并轨道能级可以分别被两个自旋相反的电子占据。作者展示了在两条N引脚上都施加负偏压时测得的电荷稳定性图。结果表明，相反的自旋可以重组为一个库珀对。然而，只要两个量子点都被相同的自旋占据，CAR就被抑制，从而阻碍了传输循环。作者展示了当对N引线施加反对称偏压时类似的ECT介导的自旋阻滞以及所有四种偏置极性组合的CAR和ECT。四个联合电荷简并点中的一个呈现抑制电流，导致阻塞的尾旋构形。总的来说，如果一个特定自旋的电子需要隧穿到一个已经被相同自旋占据的轨道上，ECT就不会发生。另一方面，如果库珀对必须从两个点的等自旋占有中分裂或合并，CAR就不能进行。类似于双量子点，阻断条件下的剩余电流是由于超精细相互作用。

图  零磁场下CAR和ECT的自旋阻滞

自旋过滤

在有限磁场B下，四个电荷简并可以变成双极自旋过滤器。这要求量子点中的塞曼能量超过偏压、电子温度和超精细相互作用，但仍小于量子点的能级间距。在这些条件下，作者展示了CAR过程的自旋过滤的结果，即平行自旋的完全抑制。对于仅允许自旋守恒隧穿的ECT，预期情况相反。为了量化CAR与量子点自旋排列反相关的观察结果，作者进行了自旋相关分析，当配对是单线时，对于CAR信号，两个QD自旋以0.86的因子反相关，这是迄今报道的最高值。作者还研究了场角相关性，正如自旋-轨道相互作用引起的效应所预期的。对应于偏爱的自旋组合的信号并不总是表现出清晰的振荡。

图  自旋分辨CAR和ECT

展望

总之，作者在N–QD–S–QD–N设备中实现了CAR和ECT的测量。作者在特定装置中，利用QD探针中观察到相等自旋态的库珀对分裂。这些观察结果与邻近纳米线中的超导配对中三重态成分的存在相一致，这是拓扑超导相的构建模块之一。本论文结果表明超导和SOC的结合可以在自旋极化的量子点之间产生三重态CAR，从而为人造Kitaev链铺平了道路。

参考文献：

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

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