张浩课题组在纳米线器件中实现动态库伦阻塞的原位调控

2023年12月18日

       动态库伦阻塞(Dynamical Coulomb blockade, DCB)是量子器件中的一种电子相互作用:当电子隧穿过一个势垒后进入一个耗散电阻中时,会激发电阻中的等离子体,并抑制电子穿过势垒的透射几率。该相互作用,也叫耗散隧穿,在输运上体现为低温下零能(零偏压)附近处微分电导的被抑制。DCB效应是介观物理中一个被充分研究过的量子输运现象。近些年,张浩课题组同刘东理论组等合作,首次将DCB引入到超导-半导体纳米线器件中,用于甄别马约拉纳零能模,见PRL 128, 076803 (2022), PRL 128, 076802 (2022), 和PRB 106, 205421 (2022)。刘东课题组理论预言DCB对零能电导的抑制会使得拓扑平庸的零偏压电导峰劈裂,而马约拉纳的零偏压电导峰得以“存活”,并在低温极限下达到量子化(PRL 111, 207003 (2013))。该团队之前通过将纳米线同一个耗散电阻直接串联实现了DCB效应,但其强度不可调节。最近,他们改进了器件结构,用一种新的三端法设计取代了原来的两端法,可实现对DCB强度的原位调节。该技术可“追踪”同一个零能束缚态在DCB强度连续变化时从一个零偏压电导峰逐渐变化为劈裂的过程,为最终的马约拉纳零能模的探测提供了一个更强的实验手段。

a, 三端器件设计图。“开关”(SW)打开对应于弱DCB情况,零能ABS表现为零偏压电导峰;开关闭合时对应于强DCB情况,零偏压峰劈裂。b, 器件扫描电镜图。c,在超导被抑制时(1 T),弱DCB和强DCB对零偏压电导的抑制对比。d,在超导状态,一个ABS态在弱DCB时呈现零偏压电导峰,在强DCB时劈裂。

       上图a为器件设计的示意图,右侧部分的纳米线引出第三个电极,并通过一个“开关”侧栅调节其电导的打开和闭合。在整个测量环节,第三个电极始终保持浮地状态。由于DCB的强度涉及到线路的高频(0-10 GHz)阻抗,开关打开时第三端虽然对直流浮地,但其大电容对高频短路,故可有效降低DCB强度,实现弱DCB的情况。开关闭合时恢复为强DCB。图b为相应的器件电镜图。为验证该设计的可行性,在图c中,先施加一个高磁场使器件失超,观察DCB效应对零偏压电导的抑制。在弱DCB情况(开关打开),零偏压电导的抑制确实比强DCB时(开关闭合)要弱。接下来在超导情况下(图d),通过侧栅调控找到一个零能安德列夫束缚态(ABS)。该ABS零能电导可以通过精细调节达到量子化的值,但由于其不是一个量子化平台,故为拓扑平庸的。闭合开关增加DCB强度时,该零偏压电导峰劈裂,同时电导值也被抑制至低于量子化的值,表明其拓扑平庸的起源。

       该工作以 “In situ tuning of dynamical Coulomb blockade on Andreev bound states in hybrid nanowire devices”为题发表在 Physical Review B 上。第一作者为物理系博士后张珊、物理所博士王志川,以及中科院半导体所研究员潘东。通讯作者为北京量子信息科学研究院副研究员尚汝南副研究员、半导体所研究员赵建华,以及物理系副教授张浩。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、清华大学自主科研计划、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心和北京市科委的资助。

       文章链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.108.235416