[論文レビュー] Highly skewed current-phase relation in superconductor-topological insulator-superconductor Josephson junctions

Morteza Kayyalha, Alexander Kazakov+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、BiSbTeSe2を基板とする超伝導体-トポロジカル絶縁体-超伝導体（S-TI-S）ジャンクションにおいて、顕著に非対称で非正弦波的な電流-位相差関係（CPR）が観測され、トポロジカル表面状態（TSS）を介したほぼバルブ的超伝導輸送が示唆された。低温で顕著に増幅されるCPRの非対称性は、TSS波動関数がTIの全周にわたって広がり、電極幅が有限であることを考慮した理論モデルにより説明され、実験と理論の間で良好な一致が得られた。

ABSTRACT

Three-dimensional topological insulators (TI's) in proximity with superconductors are expected to exhibit exotic phenomena such as topological superconductivity (TSC) and Majorana bound states (MBS), which may have applications in topological quantum computation. In superconductor-TI-superconductor Josephson junctions, the supercurrent versus the phase difference between the superconductors, referred to as the current-phase relation (CPR), reveals important information including the nature of the superconducting transport. Here, we study the induced superconductivity in gate-tunable Josephson junctions (JJs) made from topological insulator BiSbTeSe2 with superconducting Nb electrodes. We observe highly skewed (non-sinusoidal) CPR in these junctions. The critical current, or the magnitude of the CPR, increases with decreasing temperature down to the lowest accessible temperature (T ~ 20 mK), revealing the existence of low-energy modes in our junctions. The gate dependence shows that close to the Dirac point the CPR becomes less skewed, indicating the transport is more diffusive, most likely due to the presence of electron/hole puddles and charge inhomogeneity. Our experiments provide strong evidence that superconductivity is induced in the highly ballistic topological surface states (TSS) in our gate-tunable TI- based JJs. Furthermore, the measured CPR is in good agreement with the prediction of a model which calculates the phase dependent eigenstate energies in our system, considering the finite width of the electrodes as well as the TSS wave functions extending over the entire circumference of the TI.

研究の動機と目的

• ゲート可変性を有する超伝導体-トポロジカル絶縁体-超伝導体（S-TI-S）ジャンクションにおけるスーパーキャリア輸送の性質を調査すること。
• トポロジカル表面状態（TSS）に誘導された超伝導性が、トポロジカルモデルで予測される非正弦波的かつ非対称な電流-位相差関係（CPR）を生じるかどうかを特定すること。
• ゲート電圧と温度のCPRへの影響を調査し、バルブ的輸送と拡산輸送のメカニズムを区別すること。
• TSS波動関数がTIの全周にわたって広がり、電極の有限な幅を考慮した理論モデルを構築し、観測されたCPRを説明すること。
• CPRにおける低エネルギーモードの測定を通じて、トポロジカル超伝導性およびメイジャーナ状態の可能性を裏付ける証拠を提供すること。

提案手法

• SiO2/Siバックゲート基板上に剥離したBiSbTeSe2フラクスを用い、Nb電極を用いてゲート可変S-TI-Sジャンクションを作製した。
• 非対称な超伝導量子干渉計（SQUID）を用いてCPRを測定し、正弦波的CPRを示す基準ジャンクションを用いて、S-TI-Sジャンクションの未知のCPRを抽出した。
• 温度（20 mKまで）およびバックゲート電圧（𝑉g）の関数としての臨界電流とCPRを測定し、温度依存の非飽和性とゲート依存の非対称性を明らかにした。
• バルブ的TSSにおける誘導超伝導をもとにした理論モデルを構築し、位相差（𝜑）の関数として固有状態エネルギーを計算した。有限な電極幅と全周にわたる波動関数の広がりを組み込んだ。
• 摂動論を用いて、全範囲0 ≤ 𝜑 < 2𝜋にわたり存在する準位エネルギーギャップ内低エネルギーモードの存在を説明した。エネルギースケールはバルクギャップの約0.1倍に低下した。
• 実験的臨界電流の大きさに一致させるために、有効な横方向モード数（𝑁eff ~ 19（サンプルA）、~46（サンプルB））をキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカル絶縁体ベースのジャンクションにおける超伝導輸送は、バルブ的TSS輸送を示す非正弦波的かつ非対称な電流-位相差関係（CPR）を示すか？
• RQ2 CPRは温度およびゲート電圧とともにどのように変化するか。これは、ディラック点近傍での輸送状態（バルブ的対比拡散）を明らかにするか？
• RQ3 トポロジカル対称性によって保護される低エネルギーアンドレーエフ束縁状態は、観測されたCPRおよび臨界電流挙動にどの程度寄与しているか？
• RQ4 TIの全周にわたる波動関数の広がりと有限な電極幾何学を組み込んだ理論モデルは、測定されたCPRを定量的に再現できるか？
• RQ5 なぜCNP近傍でCPRはより正弦波的になるのか。電子-正孔プールや電荷不均一性は非対称性の抑制にどのような役割を果たすのか？

主な発見

• BiSbTeSe2ベースのS-TI-Sジャンクションにおける測定CPRは顕著に非対称（非正弦波的）であり、20 mKにおける非対称パラメータ𝑇𝐻𝐷 = 0.46は、理論的バルブ的限界（𝑇𝐻𝐷 = 0.55）の20%以内にあり、ほぼバルブ的超伝導輸送が示唆された。
• 臨界電流は20 mKまで飽和せず、エネルギーが~0.1ΔJの極めて低いエネルギーモードが存在することを示し、全位相差範囲にわたり準位ギャップ内状態が広がっているという理論的予測と整合した。
• 電荷中性点（CNP）付近ではCPRの非対称性が低下し、より正弦波的になることから、電子-正孔プールと電荷不均一性に起因する拡散輸送への遷移が示唆された。
• TSS波動関数がTI全周にわたって広がり、有限な電極幅を考慮した理論的CPRは、特に低ゲート電圧領域で実験データと良好に一致した。
• 有効横モード数𝑁effは、サンプルA（𝑊 ~ 2 µm, 𝑡 ~ 40 nm）で~19、サンプルB（𝑊 ~ 4 µm, 𝑡 ~ 13 nm）で~46と評価され、デバイスの幾何形状およびキャリア密度に強く依存することが示された。
• サンプルB（より薄いTI）のゼロゲート電圧領域における理論と実験のずれは、CNP近傍でのハイブリダイゼーション誘起ギャップおよび不純物の影響によるものであり、理想化されたバルブ的モデルには含まれない。