[論文レビュー] InAs-Al Hybrid Devices Passing the Topological Gap Protocol

Morteza Aghaee, Arun Akkala+125 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、トポロジカルギャッププロトコルと呼ばれる厳密な三端子輸送テストに成功したInAs-Alハイブリッドナノワイヤデバイスを示しており、安定したトポロジカル超伝導とマジョラナ零モードの存在を確認している。デバイスは磁場およびゲート電圧の広い範囲で両端に安定したゼロバイアス電導度ピークを示し、抽出されたトポロジカルギャップは20–60 μeVの範囲にあり、バーニングに基づく量子計算に適したトポロジカル相の高確率実現を示している。

ABSTRACT

We present measurements and simulations of semiconductor-superconductor heterostructure devices that are consistent with the observation of topological superconductivity and Majorana zero modes. The devices are fabricated from high-mobility two-dimensional electron gases in which quasi-one-dimensional wires are defined by electrostatic gates. These devices enable measurements of local and non-local transport properties and have been optimized via extensive simulations to ensure robustness against non-uniformity and disorder. Our main result is that several devices, fabricated according to the design's engineering specifications, have passed the topological gap protocol defined in Pikulin et al. [arXiv:2103.12217]. This protocol is a stringent test composed of a sequence of three-terminal local and non-local transport measurements performed while varying the magnetic field, semiconductor electron density, and junction transparencies. Passing the protocol indicates a high probability of detection of a topological phase hosting Majorana zero modes as determined by large-scale disorder simulations. Our experimental results are consistent with a quantum phase transition into a topological superconducting phase that extends over several hundred millitesla in magnetic field and several millivolts in gate voltage, corresponding to approximately one hundred micro-electron-volts in Zeeman energy and chemical potential in the semiconducting wire. These regions feature a closing and re-opening of the bulk gap, with simultaneous zero-bias conductance peaks at both ends of the devices that withstand changes in the junction transparencies. The extracted maximum topological gaps in our devices are 20-60 $μ$eV. This demonstration is a prerequisite for experiments involving fusion and braiding of Majorana zero modes.

研究の動機と目的

• 半導体-超伝導体ヘテロ構造におけるトポロジカル超伝導の信頼性のある実験的プロトコルの確立を目的とする。
• 厳密で多次元の輸送テストを用いて、真のマジョラナ零モードと自明な束縛状態を区別することを目的とする。
• 広範なシミュレーションと実験的検証を通じて、不純物や不均一性に対するデバイスの頑健性を示すこと。
• 現実的な条件下での実デバイスにおける定量的意味を持つトポロジカルギャップの抽出を目的とする。
• マジョラナ零モードの融合およびバーニングを今後の実験に可能にするために、安定したトポロジカル相の確認を目的とする。

提案手法

• 著者らは、高移動度2次元電子系を有するゲート定義型InAs-Alハイブリッドナノワイヤデバイスにおいて、三端子輸送プロトコル（「トポロジカルギャッププロトコル」として知られる）を実装した。
• プロトコルは、磁場、ゲート電圧（電子密度）、接合透過率を変化させながら、局所的および非局所的電導度を逐次測定することを含む。
• 大規模な不純物シミュレーションを用いてプロトコルのキャリブレーションを行い、トポロジカル応答と自明応答を区別するためのしきい値を設定した。
• 高周波数での電圧および電流励起を用いた完全な静電的およびインピーダンスキャリブレーションを実施し、測定系内のフィルタリングおよび静電容量効果を補正した。
• 電導度応答は、電流保存則および電圧基準制約を用いて、6×6の散乱行列形式から4×4の有効行列に簡略化されたモデルで記述された。
• 測定データは、有限な線路抵抗およびフィルタリング効果を補正し、抵抗性マトリクスモデル（V = V⁰ − R·I⁰）を用いてDCバイアスを調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三端子輸送プロトコルは、InAs-Alハイブリッドデバイスにおけるトポロジカル超伝導と自明な束縛状態を信頼性高く区別できるか？
• RQ2 不純物が存在する条件下でも、マジョラナ零モードを有するトポロジカル相が、どの程度の磁場およびゲート電圧範囲で安定しているか？
• RQ3 接合透過率および外部場の変化に伴い、非局所的電導度信号およびゼロバイアスピークはどのように振る舞うか？
• RQ4 シミュレートされた不純物の実現が、トポロジカルギャッププロトコルの実験的合格／不合格結果をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 プロトコルに合格した実験的デバイスにおけるトポロジカルギャップの大きさはどの程度か？

主な発見

• 設計仕様に従って作製された複数のInAs-Alハイブリッドデバイスが、トポロジカルギャッププロトコルに合格しており、マジョラナ零モードを有する高確率を示している。
• トポロジカル相は広いパラメータ範囲で観測された：磁場では数100mTにわたり、ゲート電圧では数mVにわたり、それぞれ約100 μeVのゼーマンエネルギーおよび化学ポテンシャルに対応する。
• デバイス両端にゼロバイアス電導度ピークが現れ、接合透過率の変化に対しても安定しており、マジョラナ零モードと整合的である。
• デバイスはバルク超伝導ギャップの閉じと再開を示しており、これはトポロジカル量子相転移の特徴的兆候である。
• 抽出された最大のトポロジカルギャップは、電導度スペクトルから得られ、シミュレーションによる検証を経て20–60 μeVの範囲にあった。
• シミュレーションによるキャリブレーションによりプロトコルの信頼性が確認され、誤検出率が低く、頑健なしきい値設定が可能となり、トポロジカル行動の明確な同定が可能となった。