[論文レビュー] Evidence for an anomalous current-phase relation of a dc SQUID with tunable topological junctions

C. Kurter, Y. S. Hor+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、チューナブルなトポロジカル絶縁体ヨセフソン接合子を有するdc-SQUIDにおける非正弦的電流-位相差関係の実験的証明を提示する。SQUIDの干渉縞におけるノードの上昇と、単一接合子パターンにおける有限のノード電流は、低エネルギーのアンドレーエフ束縁状態の存在を示唆し、これはマジョラナ束縁状態を含む可能性がある異常な超電流寄与を示しており、化学ポテンシャルに依存せず、高温で消失する。

ABSTRACT

Josephson junctions with topological insulator weak links can host low energy Andreev bound states giving rise to a current phase relation that deviates from sinusoidal behaviour. Of particular interest are zero energy Majorana bound states that form at a phase difference of $\pi$. Here we report on interferometry studies of Josephson junctions and superconducting quantum interference devices (SQUIDs) incorporating topological insulator weak links. We find that the nodes in single junction diffraction patterns and SQUID oscillations are lifted and independent of chemical potential. At high temperatures, the SQUID oscillations revert to conventional behaviour, ruling out asymmetry. The node lifting of the SQUID oscillations is consistent with low energy Andreev bound states exhibiting a nonsinusoidal current phase relation, coexisting with states possessing a conventional sinusoidal current phase relation. However, the finite nodal currents in the single junction diffraction pattern suggest an anomalous contribution to the supercurrent possibly carried by Majorana bound states, although we also consider the possibility of inhomogeneity.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体の弱リンクを含むヨセフソン接合子における電流-位相差関係を調査すること。
• 観測された正弦的挙動からの逸脱が、トポロジカルアンドレーエフ束縁状態によるものか、材料の不均一性によるものかを特定すること。
• SQUIDおよび単一接合子の干渉縞測定を通じて、マジョラナ束縁状態の存在を調べること。
• 化学ポテンシャルの調整が、超電流および干渉縞のノード構造をどのように制御するかを評価すること。
• トポロジカル寄与と、接合子の非対称性などの従来の効果を区別すること。

提案手法

• トポロジカル絶縁体の弱リンクを有するヨセフソン接合子およびSQUIDを用いた干渉計測定により、電流-位相差関係を測定する。
• 化学ポテンシャルを変化させた状態での単一接合子の干渉縞パターンとSQUIDの振動を測定する。
• 温度依存測定を実施し、従来の正弦的挙動への熱的回復を特定する。
• 干渉縞のノード構造を分析し、標準的なヨセフソン挙動からの逸脱を検出する。
• アンドレーエフ束縁状態による非正弦的電流-位相差関係の理論的モデルと実験データを比較する。
• 高温測定をコントロールとして用い、ノード上昇の原因としての非対称性由来のアーティファクトを除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカルSQUIDにおける電流-位相差関係が、アンドレーエフ束縁状態によって従来の正弦的形から逸脱するか？
• RQ2 SQUID振動における観測されたノード上昇が化学ポテンシャルに依存せず、トポロジカル起源であると示唆されるか？
• RQ3 単一接合子干渉縞パターンにおける有限のノード電流は、異常な超電流成分に起因するか？
• RQ4 異常な挙動が、位相差πにおけるマジョラナ束縁状態の存在と整合的か？
• RQ5 高温での従来の振動への回復が、接合子非対称性がノード上昇の原因であることを除外するか？

主な発見

• 単一接合子干渉縞およびSQUID振動におけるノードの上昇は、従来の正弦的電流-位相差挙動からの逸脱を示している。
• ノード上昇は化学ポテンシャルに依存せず継続するため、低エネルギーのアンドレーエフ束縁状態からの強固な寄与が示唆される。
• 高温ではSQUID振動が従来の正弦的形に回復するため、ノード上昇の原因としての接合子非対称性は除外される。
• 単一接合子干渉縞パターンにおける有限のノード電流は、異常な超電流寄与を示唆しており、これはマジョラナ束縁状態に起因する可能性がある。
• 非正弦的および従来の電流-位相差関係の共存は、複数のアンドレーエフ束縁状態チャネルの存在と整合的である。
• データはマジョラナ束縁状態の明確な確認を示さないが、その存在と整合的であり、不均一性由来の寄与も許容される。