[論文レビュー] Fractional AC Josephson effect in a topological insulator proximitized by a self-formed superconductor

Ilan T. Rosen, Christie J. Trimble+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、三次元的トポロジカル絶縁体（Bi2Se3）上に自己形成されたPd-Te超伝導体を用いた横方向のジョセフソン接合を実証し、RF照射下で最初および第3位相シフトが抑制されることを観測した。これは、分数型ACジョセフソン効果の主要な兆候であり、マヨラナ局在状態に起因する4π周期的な電流-位相差関係を示唆する可能性がある。一部のデバイスでは強く支持される証拠が得られたが、サンプル間での一貫性の欠如およびハイブリッドAl/Pd-Teデバイスでの抑制が認められないことから、非平衡物理および界面透過率に関する未解決の課題が、マヨラナフェルミオンの検出に関する明確な主張を複雑にしている。

ABSTRACT

A lateral Josephson junction in which the surface of a 3D topological insulator serves as the weak link should support topologically protected excitations related to Majorana fermions. The resulting $4π$-periodic current-phase relationship could be detected under high-frequency excitation by the suppression of odd Shapiro steps. Here, we demonstrate such devices through the self-formation of a Pd-Te superconducting layer from a telluride topological insulator, and observe suppressed first and third Shapiro steps. Other devices, including those where the Pd-Te layer is bolstered by an additional Al layer, show no suppression of Shapiro steps, a difference supported by simulations. Though we rule out the known trivial causes of suppressed Shapiro steps in our devices, we nevertheless argue that corroborating measurements and disorder-aware theoretical descriptions of these systems are needed before confidently claiming the observation of Majorana states.

研究の動機と目的

• 分子線エpitaxy法で成長させたトポロジカル絶縁体を用いた、スケーラブルでウェーハスケールのトポロジカルジョセフソン接合のプラットフォームを実証すること。
• 4π周期的な電流-位相差関係と関連するマヨラナ局在状態を示す兆候としての分数型ACジョセフソン効果を調査すること。
• 界面透過率および非平衡効果が奇数位相シフトの抑制に果たす役割を評価すること。
• ハイブリッド超伝導体-トポロジカル絶縁体ヘテロ構造において、トポロジカルマヨラナモードを検出する際の再現性および信頼性の課題に対処すること。

提案手法

• 分子線エpitaxy法で成長したBi2Se3トポロジカル絶縁体上に自己形成されたPd-Te超伝導体を用いて、横方向のジョセフソン接合を形成した。
• 高品質なトンネル障壁（BST）をインサイト上に成長させ、その後、エクスサイトに透明な超伝導接合を形成した。
• 低周波および電波周波数測定を実施し、シャイビングステップ分光法を用いて電流-位相差関係を調べた。
• 電子線透過顕微鏡（TEM）を用いてヘテロ構造の界面品質および構造的整合性を評価した。
• 位相バイアス付きトライジョセフソンおよびフラックスバイアス付きリングで電導度分光測定を実施し、マヨラナモードを示唆するゼロバイアス異常を調べた。
• 純粋なPd-TeおよびハイブリッドAl/Pd-Teキャッピング層を有するデバイス間で結果を比較し、界面透過率および材料品質が及ぼす影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己形成された超伝導体を有するトポロジカル絶縁体ベースのジョセフソン接合で、分数型ACジョセフソン効果を観測できるか？
• RQ2 本系における奇数位相シフトの抑制は、自明な非平衡効果ではなく、4π周期的超伝導結合に起因する程度はどの程度か？
• RQ3 超伝導体とトポロジカル絶縁体の界面透過率が、分数型シャイビングステップの観測にどのように影響するか？
• RQ4 同じ製造プロセスを経ながらも、一部のデバイスでは奇数位相シフトが抑制されるが、他のデバイスでは抑制されないのはなぜか？
• RQ5 観測された抑制は、トポロジカルマヨラナ局在状態に起因するものとみなせるのか、それとも代替的な非平衡メカニズムがより妥当な説明となるのか？

主な発見

• 低出力・低周波RF励起下で、一部のデバイスにおいて最初および第3位相シフトが抑制された。これは、分数型ACジョセフソン効果および4π周期的電流-位相差関係と整合的である。
• 自己形成されたPd-Te超伝導体を有するデバイスで奇数位相シフトの抑制が観測され、トポロジカル的に保護されたアンドレーエフ局在状態を示唆する。
• 追加のAlキャッピング層を有するデバイスでは抑制が認められず、界面透過率および材料品質が結果に強く影響することを示している。
• 低出力での動作およびデバイスの安定性を踏まえると、ジュール加熱やアンダードーピングといった既知の自明なメカニズムとは一致しない。
• 一部のデバイスでは強く支持される証拠が得られたが、複数のサンプルにわたる再現性の低さは、分数型ACジョセフソン効果が単独の兆候として信頼できるかどうかに懸念を呈する。
• 著者らは、4π周期的物理と非平衡効果を解きほぐすためのさらなる研究が不可欠であり、全データ共有およびゼロバイアス電導度ピークなどの補足的プローブの導入を提言している。