[論文レビュー] Gate-controlled Supercurrent in Ballistic InSb Nanoflag Josephson Junctions

Sedighe Salimian, Matteo Carrega+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 91被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、Ti/Nb接触を用いたバルク的InSbナノフラッグヨセフソン接合において、ゲート電圧で制御可能なスーパーキャリントを実証した。250 mKで臨界スーパーキャリントが約50 nAに達した。デバイスは明確な準位間隔構造を示し、顕著な過剰電流を示しており、位相に整合した、非常に透過率の高い界面であることを示しており、InSbナノフラッグはトポロジカル量子デバイスの有望なプラットフォームであることが確立された。

ABSTRACT

High-quality III-V narrow band gap semiconductor materials with strong spin-orbit coupling and large Lande g-factor provide a promising platform for next-generation applications in the field of high-speed electronics, spintronics, and quantum computing. Indium Antimonide (InSb) offers a narrow band gap, high carrier mobility, and a small effective mass, and thus is very appealing in this context. In fact, this material has attracted tremendous attention in recent years for the implementation of topological superconducting states supporting Majorana zero modes. However, high-quality heteroepitaxial two-dimensional (2D) InSb layers are very diffcult to realize owing to the large lattice mismatch with all commonly available semiconductor substrates. An alternative pathway is the growth of free-standing single-crystalline 2D InSb nanostructures, the so-called nanoflags. Here we demonstrate fabrication of ballistic Josephson-junction devices based on InSb nanoflags with Ti/Nb contacts that show gate-tunable proximity-induced supercurrent up to 50 nA at 250 mK and a sizable excess current. The devices show clear signatures of subharmonic gap structures, indicating phase-coherent transport in the junction and a high transparency of the interfaces. This places InSb nanoflags in the spotlight as a versatile and convenient 2D platform for advanced quantum technologies.

研究の動機と目的

• 量子デバイスのための欠陥のないプラットフォームとして、高品質で遊離型の二次元InSbナノフラッグ（NF）の開発。
• Ti/Nb超伝導接触を用いたInSb NFを用いたバルク的ヨセフソン接合の作製。
• ゲートで制御可能な近接効果誘起スーパーキャリントの実証および接合内の輸送整合性の調査。
• 複数のアンドレーエフ反射（MAR）特徴を用いて、界面の透過率と整合性の調査。
• 今後のトポロジカル超伝導およびマヨラナ零モード研究に向けたInSb NFの適性の確立。

提案手法

• 化学ビームエpitaxy（CBE）を用いて、鋸歯状のInPナノワイヤーステム上に単結晶で遊離型のInSbナノフラッグを成長。
• 100 nm 厚のInSb NFを機械的移動によりSiO2/Si基板に移設し、デバイスの作製を実施。
• 200 nm 間隔の電極間隔を有する10/150 nm Ti/Nb接触を用いてヨセフソン接合を形成。
• 250 mKでDC I-V測定およびロックイン微分抵抗（dV/dI）による電気的特性評価。
• 測定されたI-Vカーブから2次元dV/dIマップを数値的に導出することで、MAR特徴および過剰電流を特定。
• BCS理論およびAminovらの界面透過率モデル（γBパラメータ）を用いてMARトレースおよびI-V特性の解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート電圧の調整により、バルク的InSbナノフラッグヨセフソン接合におけるスーパーキャリントを制御可能か？
• RQ2 準位間隔構造から示される位相整合性および界面透過率の程度は？
• RQ3 InSb NFに誘起された超伝導ギャップは、NbのBCSギャップと比べてどの程度か？
• RQ4 過剰電流および通常抵抗はバックゲート電圧に応じてどのように変化するか？
• RQ5 観測された輸送特性は、InSb NFにおけるバルク的で近接効果誘起の超伝導を確認できるか？

主な発見

• 250 mKで約50 nAのゲートで制御可能なスーパーキャリントが観測され、バックゲート電圧調整により臨界電流が50 nAまで維持された。
• 明確に解像された準位間隔構造（MAR特徴）は、位相に整合した輸送および高い界面透過率を示している。
• Vbg = 40 Vで265 ± 12 nAの過剰電流が測定され、Ie·Rn = 127 ± 7 µVと算出され、バルク的接合の理論的期待値と整合的であった。
• Vbgが5 Vから40 Vの範囲で、Ie·Rnは約137 ± 19 µVでほぼ一定を保ち、アンドレーエフ反射プロセスの頑健性を示した。
• 誘起ギャップ∆*は、NbのBCSギャップ（1.28 meV）よりも顕著に小さく、Ti中間層による近接効果と整合的であった。
• 界面透過率パラメータγB ≈ 10が導出され、中程度の透過率の界面であったが、MAR特徴は、被覆領域と露出領域間の垂直界面の高い透過率を示唆した。