[論文レビュー] Detecting topological superconductivity using the Shapiro steps

Jay D. Sau, F. Setiawan|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、非常に透過性の高い半導体ヨセフソン接合における共鳴的不純物束縛状態という、トポロジカルでないメカニズムが、トポロジカル超伝導の特徴である分数ジョセフソン効果を模倣できることを特定している。低周波数の二重シャピロステップが、真のトポロジカル超伝導状態とこのような自明な背景を区別するより信頼性の高いシグネチャであることを示している。

ABSTRACT

The fractional Josephson effect has been observed in many instances as a signature of a topological superconducting state containing zero-energy Majorana modes. We present a nontopological scenario which can produce a fractional Josephson effect generically in semiconductor-based Josephson junctions, namely, a resonant impurity bound state weakly coupled to a highly transparent channel. We show that the fractional ac Josephson effect can be generated by the Landau-Zener processes which flip the electron occupancy of the impurity bound state. The Josephson effect signature for Majorana modes become distinct from this nontopological scenario only at low frequency. We prove that a variant of the fractional ac Josephson effect, namely, the low-frequency doubled Shapiro steps, can provide a more reliable signature of the topological superconducting state.

研究の動機と目的

• 半導体ベースのヨセフソン接合において、分数ジョセフソン効果を模倣できる非トポロジカルなメカニズムを特定すること。
• 不純物束縛状態を介して、ランダウ＝ツンダー過程がどのように分数交流ジョセフソン効果を生成するかを分析すること。
• 周波数依存のシャピロステップパターンを用いて、トポロジカル超伝導状態と自明な非トポロジカルな背景を区別すること。
• 低周波数の二重シャピロステップを、トポロジカル超伝導性を検出するより信頼性の高い実験的シグネチャとして確立すること。

提案手法

• 非常に透過性の高いチャネルに弱く結合した共鳴的不純物束縛状態を有する半導体ヨセフソン接合をモデル化する。
• 不純物状態の占有状態の反転を引き起こすランダウ＝ツンダー遷移を用いて、交流ジョセフソン効果を分析する。
• 交流駆動下での電流-位相差関係を導出し、共鳴的準位遷移によって分数ステップが生じることを示す。
• トポロジカルと非トポロジカルな状況におけるシャピロステップの周波数依存性を比較する。
• トポロジカルな状況でのみ観測される、特徴的な低周波数領域を同定する。
• 数値的および解析的計算を用いて、二重ステップの出現がトポロジカルなシグネチャとして妥当であることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非トポロジカルな不純物束縛状態は、非常に透過性の高い接合においても、分数ジョセフソン効果を再現できるか？
• RQ2 ランダウ＝ツンダー過程は、このような系においてどのように分数交流ジョセフソン効果を生成するか？
• RQ3 シャピロステップ測定において、トポロジカルと非トポロジカルなシグネチャがどの周波数領域で分離するか？
• RQ4 低周波数における二重シャピロステップは、トポロジカル超伝導性の固有の識別子として機能できるか？
• RQ5 マヨラナモードのシャピロステップパターンと、自明な共鳴的不純物のものとの主な差異は何か？

主な発見

• 非トポロジカルな共鳴的不純物束縛状態は、非常に透過性の高い接合において、ランダウ＝ツンダー遷移を介して分数ジョセフソン効果を生成できる。
• 不純物由来の分数交流ジョセフソン効果は高周波数で顕著であり、トポロジカルなシグネチャを隠蔽する。
• 低周波数のシャピロステップは、マヨラナモードの存在により、トポロジカルな状況でのみ二重化される。
• 低周波数における二重ステップパターンは、自明な非トポロジカルな背景からの強固で明確なシグネチャとして顕在する。
• トポロジカルと非トポロジカルな状況の違いは、低周波数領域においてのみ明確になり、この領域で非トポロジカルな模倣は崩壊する。
• 提案された二重シャピロステップシグネチャは、実験的に容易に観測可能であり、トポロジカル超伝導性を検出するための標準的な分数ジョセフソン効果よりも信頼性がより高い。