[論文レビュー] Full control of quantum Hall supercurrent in a side gated graphene Josephson junction

Andrew Seredinski, Anne Draelos+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Graphene research and applications参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、同一のグラフェンフラケから彫り出された統合されたサイドゲートを用いて、グラフェンヨセフソン接合における量子ホールスーパーキャリントの完全な静電的制御を実証した。個々のエッジに沿ったキャリア密度を調整することで、反対方向に流れているエッジ状態において、独立的かつ局所的なスーパーキャリントの流れを実現し、エッジ状態のフィリング因子を正確に制御することに成功した。これにより、マヨラナ零モードを介したトポロジカル量子計算への道筋が開かれた。

ABSTRACT

We present a study of a graphene-based Josephson junction with dedicated side gates carved from the same sheet of graphene as the junction itself. These side gates are highly efficient, and allow us to modulate carrier density along either edge of the junction in a wide range. In particular, in magnetic fields in the $1-2$ Tesla range, we are able to populate the next Landau level, resulting in Hall plateaus with conductance that differs from the bulk filling factor. When counter-propagating quantum Hall edge states are introduced along either edge, we observe supercurrent localized along that edge of the junction. Here we study these supercurrents as a function of magnetic field and carrier density.

研究の動機と目的

• グラフェンベースのヨセフソン接合における量子ホールエッジ状態の正確かつ独立した制御を達成すること。
• エッジ状態の静電的ゲート制御がスーパーキャリントの局在化と輸送に与える影響を調査すること。
• 量子ホールエッジ状態における制御されたスーパーキャリントの流れを通じて、マヨラナ零モードのような非アーベル励起状態を工学的に実現可能かどうかを検討すること。
• 従来のデバイスにおける不純物と定義されない静電的ポテンシャルによるエッジ状態制御の制限を克服すること。

提案手法

• 同一のグラフェンフラケから彫り出された2つのサイドゲートを有するグラフェンヨセフソン接合をフォトリソグラフィーで作製し、超伝導接点から100 nmのグラフェンで分離させた。
• デュアルバックゲートおよびサイドゲート電圧を用いて、接合の各エッジに沿ったキャリア密度およびランダウ準位のフィリング因子を独立して調整した。
• 1–2 Tの磁場下で100 mKの温度で輸送測定を実施し、発達したプラトーを持つ量子ホール状態を観測した。
• 有限要素法を用いた静電的シミュレーションにより、ゲート誘起のエッジ状態フィリング因子の変調をモデル化・検証した。
• 微分抵抗およびSQUID干渉縞を測定し、個々のエッジに沿ったスーパーキャリントの流れと位相のコherenecを調査した。
• ヘキサボライトランナイト（h-BN）のカプセル化を用いて、ボールスティック輸送を維持し、不純物に起因する散乱を低減した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のグラフェンフラケから彫り出されたサイドゲートは、ヨセフソン接合の個々のエッジに沿ったキャリア密度を独立して制御可能か？
• RQ2 エッジ状態フィリング因子のゲート誘起変調が、スーパーキャリントの局在化および大きさにどのように影響するか？
• RQ3 一方のエッジにのみスーパーキャリントを駆動し、他方のエッジでの流れを抑制することは可能か？これによりエッジ特異的輸送が実現可能か？
• RQ4 エッジ状態工学は、トポロジカル超伝導性および非アーベル励起状態の実現に果たす役割は何か？
• RQ5 静電的ポテンシャルおよびエッジの不純物が、スーパーキャリントにおける量子干渉のコherenecおよび可視性に与える影響は何か？

主な発見

• サイドゲートによりエッジ状態フィリング因子の完全な制御が可能となり、次のランダウ準位へのアクセスと、各エッジにおけるキャリアの極性の独立した調整が達成された。
• スーパーキャリントは、サイドゲートが活性化されたエッジにのみ局在化しており、独立的かつエッジ特異的なスーパーキャリントの流れを実証した。
• 両サイドゲート電圧が対称的に-1 Vのとき、量子ホールプラトーが最も対称的かつ発達しており、エッジ状態制御の最適性を示した。
• SQUID干渉縞の傾きが斜めであったことから、両サイドゲートがスーパーキャリントの位相を同等に制御していることが示された。
• ゲート制御エッジ状態の交差点における観測された干渉パターンは、各エッジにおけるスーパーキャリントの独立した位相制御を確認した。
• 有限要素法のシミュレーションにより、抵抗マップにおけるダイヤモンド型の導電率プラトーを再現し、エッジ状態工学の静電的モデルの妥当性を裏付けた。