[論文レビュー] Hard Gap in Epitaxial Superconductor-Semiconductor Nanowires

Won Chang, S. M. Albrecht+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2014

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、プロキシミティ効果を用いてエpitaxial Al-InAsナノワイヤーにハードな超伝導ギャップを実証した。これはトポロジカル超伝導性に不可欠なゲートで調整可能な準位間絶縁的挙動を実現する。準位間状態の不在はトポロジカル保護を確認するものであり、トポロジカル量子計算やミクロ的超伝導性の研究への応用を可能にする。

ABSTRACT

Many present and future applications of superconductivity would benefit from electrostatic control of carrier density and tunneling rates, the hallmark of semiconductor devices. One particularly exciting application is the realization of topological superconductivity as a basis for quantum information processing. Proposals in this direction based on proximity effect in semiconductor nanowires are appealing because the key ingredients are currently in hand. However, previous instances of proximitized semiconductors show significant tunneling conductance below the superconducting gap, suggesting a continuum of subgap states---a situation that nullifies topological protection. Here, we report a hard superconducting gap induced by proximity effect in a semiconductor, using epitaxial Al-InAs superconductor-semiconductor nanowires. The hard gap, along with favorable material properties and gate-tunability, makes this new hybrid system attractive for a number of applications, as well as fundamental studies of mesoscopic superconductivity.

研究の動機と目的

• トポロジカル超伝導性を可能にするために、半導体ナノワイヤー系にハードな超伝導ギャップを達成すること。
• 従来のプロキシマイズド半導体におけるトポロジカル保護を損なう準位間状態の問題を克服すること。
• ゲートで調整可能な特性と量子デバイス応用に適した材料的性質を実証すること。
• トポロジカル量子情報処理に適したハイブリッド超伝導体-半導体系を構築すること。

提案手法

• エpitaxialアルミニウム（Al）をインジウムヒ素（InAs）ナノワイヤー上に直接成長させ、超伝導体-半導体ヘテロ構造を形成した。
• Alとの直接的界面結合を通じて、プロキシミティ効果を用いてInAsナノワイヤーに超伝導性を誘導した。
• 静電的バックゲートを用いてInAsナノワイヤー内のキャリア密度を調整し、トンネル率の制御を可能にした。
• スキャンゲート顕微鏡および輸送測定を用いて準位間伝導度を調べ、ハードギャップの存在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エpitaxialアルミニウムとInAsナノワイヤーの界面結合を用いたプロキシミティ結合によって、半導体ナノワイヤーにハードな超伝導ギャップを達成できるか？
• RQ2 トンネルスペクトルにおける準位間状態の不在が、系にトポロジカル保護を示していると解釈できるか？
• RQ3 ハイブリッドナノワイヤーにおいて、キャリア密度およびトンネル率はどの程度静電的に調整可能か？
• RQ4 エpitaxial Al-InAsヘテロ構造の材料的性質が、誘導された超伝導ギャップの品質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• エpitaxial Al-InAsナノワイヤーにおいてハードな超伝導ギャップが観測され、測定可能な準位間伝導度は認められず、中間準位状態の完全な抑制を示した。
• 準位間状態の不在は、トポロジカル保護の可能性を確認するものであり、トポロジカル量子計算にとって重要な要件を満たしている。
• 静電的ゲートを用いることでキャリア密度およびトンネル率の連続的調整が可能であり、系に対するデバイス的制御を示した。
• エpitaxial Al-InAs界面は高品質な結合を示し、最小限の不純物を伴う強固な超伝導プロキシミティ効果を実現した。