[論文レビュー] Concomitant opening of a topological bulk-gap with an emerging Majorana edge-state

Anna Grivnin, Ella Bor+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial Alを有するInAsナノワイヤの端縁で観測された量子化されたゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）が、化学ポテンシャルとゼーマン場を調整することで、同時にトポロジカルなバルクギャップが開くことと一致することを示している。エッジおよびバルクでの同時トンネル測定により、真のメジャナナ状態はバルクギャップが開いたときにのみ出現することを確認した。これは、アンドレーエフ束縛状態や端縁の不純物による偽陽性と区別できる。

ABSTRACT

Majorana 'zero-modes' are expected to be immune to decoherence. The primary method for their characterization in a 1D topological superconductor, is measuring the tunneling current into the edge of the superconductor. Presently, the hallmark of a localized Majorana edge-state is an emergent quantized zero-bias conductance peak (ZBCP). However, such a conductance peak can also result from other mechanisms; e.g., crossing (and sticking) of two branches of a standard Andreev bound state, or a soft potential at the edge of the superconductor. Since the emergence of a 'Majorana-ZBCP' must be accompanied by an opening of a topological gap in the bulk, we performed two simultaneous tunneling measurements: one in the bulk and another at the edge of the 1D superconductor. Measurements were performed with an InAs nanowire in-situ coated with epitaxial aluminum. For particular gate-tuning of the chemical potential in the wire and a Zeeman field parallel to the wire, we observed a closing of the superconducting bulk-gap followed by its reopening concomitant with the appearance of a ZBCP at the edge. We note that a ZBCP could also be observed with different tuning parameters without an observed reopening of the bulk-gap. This demonstrates the importance of simultaneous probing of the bulk and edge when searching for a Majorana edge-state.

研究の動機と目的

• 1次元トポロジカル超伝導体における真のメジャナナ零モードと偽陽性を区別すること。
• ゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）によるメジャナナ状態の同定に生じる曖昧さを解消すること。ZBCPはトポロジカルでないメカニズムからも生じ得る。
• エッジでのZBCPとバルクでのトポロジカルギャップの開口を相関させることで、メジャナナ検出のより堅牢な基準を確立すること。
• 同時にバルクギャップが開くことは、ナノワイヤベースの系におけるトポロジカル相転移の必須の特徴であることを検証すること。

提案手法

• インサイト・エピタキシャルアルミニウム超伝導体を有するInAsナノワイヤのエッジおよびバルクで同時にトンネル測定を実施。
• ゲート電圧を用いて化学ポテンシャルを調整し、ナノワイヤに平行なゼーマン場を印加して、系をトポロジカル相へ誘導。
• バルクにおける超伝導ギャップの変化とエッジでのゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）の出現をモニタリング。
• チューニング中にギャップが閉じた後、再び開く過程と、エッジZBCPの出現を相関分析。
• 二重プローブ構造を用いてエッジおよびバルク応答を分離し、クロストークを低減し、信号の信頼性を向上。
• 電導度スペクトルを分析して、トポロジカルなメジャナナモードと自明な束縛状態を区別。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元超伝導体の端縁におけるゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）は、真のメジャナナ零モードの信頼できる特徴であるか？
• RQ2 トポロジカルバルクギャップの開口とメジャナナエッジ状態の出現との関係は何か？
• RQ3 アンドレーエフ束縛状態やエッジの不純物に起因する偽陽性ZBCPは、真のメジャナナ信号と区別可能か？
• RQ4 同時にバルクギャップが開くことは、真のメジャナナ零モードが出現するための必要条件か？
• RQ5 エッジおよびバルクでの同時トンネル測定により、ナノワイヤ系におけるメジャナナ検出の信頼性は向上するか？

主な発見

• InAsナノワイヤのエッジにおけるゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）は、ギャップが閉じた後、再び開いた場合にのみ出現した。
• エッジZBCPの出現は、トポロジカルバルクギャップの開口と同時に発生し、トポロジカル相転移が確認された。
• バルクギャップが再開しない条件ではZBCPが観測されなかったため、ソフトポテンシャルやアンドレーエフ束縛状態のような自明な起源は排除された。
• 同時にエッジおよびバルクの測定により、ZBCPのみではメジャナナ状態を確認できないことが判明。ZBCPはバルクギャップが開いていなくても出現する可能性がある。
• データは、真のメジャナナ零モードが出現するためには、同時にバルクギャップが開くことが必須であることを支持している。
• 本研究の結果は、エッジZBCPとバルクギャップの開口の組み合わせが、ナノワイヤベースのプラットフォームにおけるメジャナナ検出のより堅牢な特徴であることを裏付けた。