[論文レビュー] Flux-induced Majorana modes in full-shell nanowires

S. Vaitiekėnas, Mingtang Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、完全被覆型Alナノワイヤー超伝導体に磁束を印加することで、InAsナノワイヤー芯部の両端に位相巻き込みを介してマジョナナ零モード（MZMs）が誘起されることを示している。最初の超伝導性ラオブ（Φ₀ = h/2e の周辺）では、トンネルスペクトロスコピーで頑健なゼロバイアスピークが観測され、キャパシタンスブロッキング測定では1e周期のピーク間隔と指数関数的に減衰する偶奇反転が確認され、空間的に分離したMZMsの存在が裏付けられた。

ABSTRACT

We demonstrate a novel means of creating Majorana zero modes using magnetic flux applied to a full superconducting shell surrounding a semiconducting nanowire core, unifying approaches based on proximitized nanowires and vortices in topological superconductors. In the destructive Little-Parks regime, reentrant regions of superconductivity are associated with integer number of phase windings in the shell. Tunneling into the core reveals a hard induced gap near zero applied flux, corresponding to zero phase winding, and a gapped region with a discrete zero-energy state for flux around Φ_0 = h/2e, corresponding to 2π phase winding. Coulomb peak spacing in full-shell islands around one applied flux shows exponentially decreasing deviation from 1e periodicity with device length, consistent with the picture of Majorana modes located at the ends of the wire.

研究の動機と目的

• 完全被覆型超伝導シェルを介した磁束の印加を用いて、半導体-超伝導体ハイブリッドナノワイヤーにおけるマジョナナ零モード（MZMs）を生成する新しいメカニズムを示すこと。
• フルシェル幾何学におけるリトル＝パークス効果を活用することで、プロキシミティ化ナノワイヤー法とヴォーテックスベースのアプローチを統合し、トポロジカル超伝導体を実現すること。
• フルシェルナノワイヤー素子におけるトンネルスペクトロスコピーとキャパシタンスブロッキング測定を通じた、MZMsの実験的証明を提供すること。

提案手法

• エピタキシャルAl超伝導体をInAsナノワイヤー芯部に完全被覆的に成長させ、磁束誘起位相巻き込みによってトポロジカル超伝導体を形成した。
• リトル＝パークス領域における再入超伝導性ラオブの同定を目的として、軸方向磁場および電流関数としてのAlシェルの微分抵抗を測定した。
• InAsコアへのトンネルスペクトロスコピーを実施し、準位の低下状態を検出。最初の超伝導性ラオブ（Φ₀ = h/2e）でゼロバイアスピークを同定。
• 磁束下での偶奇反転の長さ依存性を調査するため、長さ210–970 nmのフルシェルキャパシタンス島をプロセスした。
• キャパシタンスダイヤモンドからレバーアームおよびピーク間隔差（ΔδV）を抽出し、ワイヤー端部のMZMsのハイブリダイゼーションエネルギーを定量化した。
• 振幅A = η × ΔδVを指数関数的減衰A₀e^(-L/ξ)にフィットさせ、MZMsの有効コherence長ξを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全超伝導シェルに印加された磁束が、半導体ナノワイヤー芯部にトポロジカル超伝導体を形成し、マジョナナ零モードを実現できるか？
• RQ2 シェル内の超伝導オーダーパラメータの位相巻き込みが、ワイヤー端部にトポロジカル的に保護されたゼロエネルギー状態を生じるか？
• RQ3 観測された1e周期のキャパシタンスブロッキング間隔と指数関数的に減衰する偶奇反転は、空間的に分離したマジョナナモードの存在と整合的か？
• RQ4 マジョナナモードのハイブリダイゼーションエネルギーは、ナノワイヤー長さにどのように依存するか？
• RQ5 外部ゼーマン場を必要とせず、磁束制御によってトポロジカル状態にチューニング可能か？

主な発見

• ゼロ番目の超伝導性ラオブ（Φ ≈ 0）では、コアへのトンネル測定で硬いプロキシミティ誘起ギャップが観測され、準位の低下状態は認められず、自明な超伝導相を示した。
• 最初の超伝導性ラオブ（Φ ≈ h/2e）では、トンネルスペクトロスコピーで頑健なゼロバイアスピークが観測され、マジョナナ零モードに一致する離散的ゼロエネルギー状態を示した。
• フルシェル島におけるキャパシタンスブロッキング測定では、最初のラオブで1e周期のピーク間隔が観測され、偶奇反転が島長に伴い指数関数的に減衰した。
• 偶奇ピーク間隔差の振幅A = η × ΔδVは長さに伴い指数関数的に減少し、最良フィットによる有効コherence長ξ = 230 nmが得られた。
• 振幅AはL = 210 nmで45 μeVからL = 970 nmで0.6 μeVに低下し、MZMsのハイブリダイゼーションの指数関数的抑制を確認した。
• B = 140 mT（最初のラオブ）では準位の低下状態が観測されず、ハードギャップおよびB = 110 mTにおけるゼロバイアスピークの安定性を確認した。