[論文レビュー] Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices

Morteza Kayyalha, Di Xiao+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 44被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、トポロジカル量子計算の鍵たるチャネル状マジョナナフェルミオンの存在を検証するため、量子異常ホール（QAH）-超伝導体ハイブリッドデバイスを用いて調査した。電気ゲートを用いてQAH膜の電導度を調整した結果、QAH状態で半分量子化された電導度プラトーが観測されたが、著者らはこれをマジョナナモードではなく、アンドレエフ反射および透過性の高い界面に起因すると結論づけ、観測された信号がチャネル状マジョナナフェルミオンに起因する可能性は極めて低いと結論した。

ABSTRACT

A quantum anomalous Hall (QAH) insulator coupled to an s-wave superconductor is predicted to harbor a topological superconducting phase, the elementary excitations of which (i.e. Majorana fermions) can form topological qubits upon non-Abelian braiding operations. A recent transport experiment interprets the half-quantized two-terminal conductance plateau as the presence of chiral Majorana fermions in a millimeter-size QAH-Nb hybrid structure. However, there are concerns about this interpretation because non-Majorana mechanisms can also generate similar signatures, especially in a disordered QAH system. Here, we fabricated QAH-Nb hybrid structures and studied the QAH-Nb contact transparency and its effect on the corresponding two-terminal conductance. When the QAH film is tuned to the metallic regime by electric gating, we observed a sharp zero-bias enhancement in the differential conductance, up to 80% at zero magnetic field. This large enhancement suggests high probability of Andreev reflection and transparent interface between the magnetic topological insulator (TI) and Nb layers. When the magnetic TI film is in the QAH state with well-aligned magnetization, we found that the two-terminal conductance is always half-quantized. Our experiment provides a comprehensive understanding of the superconducting proximity effect observed in QAH-superconductor hybrid structures and shows that the half-quantized conductance plateau is unlikely to be induced by chiral Majorana fermions.

研究の動機と目的

• QAH-Nbハイブリッドデバイスで報告された半分量子化された電導度プラトーが、チャネル状マジョナナフェルミオンに起因するかどうかを特定すること。
• QAH-Nb界面の透過性および近接効果が、輸送的シグネチャーを生成する役割を調査すること。
• アンドレエフ反射のような非マジョナナメカニズムが、観測された電導度プラトーを再現できるかどうかを評価すること。
• ゲート電圧および磁場を変化させた場合の、QAH-超伝導体ヘテロ構造における超伝導性近接効果を明確にすること。

提案手法

• 分子線エpitaxyおよび剥離技術を用いてQAH-Nbハイブリッド構造を作製した。
• 電気ゲートを用いてQAH膜の電導度を絶縁体的状態から金属的状態へと制御し、キャリア密度および界面透過性を制御した。
• 近接効果誘起超伝導性を調べるために、ゲート電圧および磁場の関数としての二端子微分電導度を測定した。
• ゼロバイアス電導度ピークを分析して、アンドレエフ反射確率および界面透過性を評価した。
• 磁化が整列したQAH状態の電導度挙動を金属的状態と比較することで、トポロジカルシグネチャーを分離した。
• ゼロバイアスにおける電導度増幅の定量的分析を用いて、アンドレエフ反射効率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QAH-Nbデバイスで観測された半分量子化された電導度プラトーは、チャネル状マジョナナフェルミオンによって説明可能か？
• RQ2 QAHとNb層間の界面透過性が、観測された電導度にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 金属的QAH状態における鋭いゼロバイアス電導度増幅は、強いアンドレエフ反射を示唆するか？
• RQ4 QAH状態における半分量子化された電導度は、アンドレエフ反射のような非マジョナナメカニズムと整合的か？
• RQ5 磁性配列およびゲートで調整可能なキャリア密度が、超伝導性近接効果に果たす役割は何か？

主な発見

• QAH膜を電気ゲートで金属的状態にチューニングした結果、ゼロ磁場下で最大80％の鋭いゼロバイアス電導度増幅が観測され、高いアンドレエフ反射確率を示唆した。
• 観測された80％のゼロバイアス電導度増幅は、磁性トポロジカル絶縁体とNb層の間の透過性の高い界面を強く示唆している。
• 磁化が良好に整列したQAH状態では、ゲート電圧にかかわらず二端子電導度が半分量子化されたまま維持され、頑健な輸送的シグネチャーであった。
• 半分量子化された電導度プラトーは、金属的状態にあっても持続したため、トポロジカル超伝導性に特異的に結びついているわけではないことが示された。
• 結果から、観測された電導度プラトーは、チャネル状マジョナナフェルミオンよりもアンドレエフ反射および界面透過性によってより妥当に説明できると示された。
• 本研究は、QAH-Nbデバイスにおけるチャネル状マジョナナフェルミオンの報告された証拠は、非マジョナナメカニズムの競合により有効ではない可能性が高いと結論づけた。