[論文レビュー] InSbAs Two-Dimensional Electron Gases as a Platform for Topological Superconductivity

Christian M. Moehle, Chung Ting Ke+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用数 57

ひとこと要約

この論文は、調整可能なスピンオービット結合と大きなg因子を有するInSbAs二次元電子系（2DEG）が、イン・サイトで成長したアルミニウムと界面を形成することで、トポロジカル超伝導の強固なプラットフォームを形成することを示している。ハイブリッド系はハードな超伝導ギャップを示し、位相制御可能なジョセフソン接合、超伝導島、準1次元構造—マヨラナゼロモードを探索するための主要なアーキテクチャ—の安定した動作を可能にする。

ABSTRACT

<p>Topological superconductivity can be engineered in semiconductors with strong spin-orbit interaction coupled to a superconductor. Experimental advances in this field have often been triggered by the development of new hybrid material systems. Among these, two-dimensional electron gases (2DEGs) are of particular interest due to their inherent design flexibility and scalability. Here, we discuss results on a 2D platform based on a ternary 2DEG (InSbAs) coupled to in situ grown aluminum. The spin-orbit coupling in these 2DEGs can be tuned with the As concentration, reaching values up to 400 meV Å, thus exceeding typical values measured in its binary constituents. In addition to a large Landé g-factor of ∼55 (comparable to that of InSb), we show that the clean superconductor-semiconductor interface leads to a hard induced superconducting gap. Using this new platform, we demonstrate the basic operation of phase-controllable Josephson junctions, superconducting islands, and quasi-1D systems, prototypical device geometries used to study Majorana zero modes. </p>

研究の動機と目的

• スピンオービット結合の強化と大きなg因子を有するハイブリッド2DEG-超伝導体プラットフォームを構築し、トポロジカル超伝導を実現すること。
• InSbにおける劣悪な超伝導近接効果の課題を、クリアでイン・サイトでAlを成長させた界面を有するテルナリィInSbAs 2DEGを用いることで克服すること。
• マヨラナゼロモードを探索するのに適したデバイスアーキテクチャ—位相制御可能なジョセフソン接合、超伝導島、および準1次元系—を実証すること。
• テルナリィ2DEG系における完全な半導体-超伝導体界面を介して、ハードな誘導超伝導ギャップを実現すること。

提案手法

• As濃度（x = 0 から 0.240）の精密制御を伴う分子線エpitaxy法を用いたGaAs基板上へのInSb1−xAsx 2DEGの成長。
• 半導体成長後、清浄で高品質な界面を確保するため、イン・サイトで7 nmのアルミニウムをキャップする。
• 混合を防ぎ、界面品質を維持するため、2 MLのInAsスクリーニング層を用いる。
• 電子密度を調整し、輸送特性を測定するため、ホールバーおよびトップゲートデバイスをフォーミングする。
• 300 mKでの磁気輸送測定を実施し、弱い反局在（WAL）フィッティングにIordanskii-Lyanda-Geller-Pikus（ILP）モデルを適用してスピンオービット結合を抽出する。
• トンネル分光法および差分コンダクタンスマッピングを、位相制御可能なジョセフソン接合、超伝導島、および準1次元超伝導ストリップに適用し、アンドレーエフ束縛状態および潜在的なマヨラナゼロモードを探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 As濃度を調整可能なInSbAs 2DEGは、InAs や InSb よりも強いスピンオービット結合を達成できるか？
• RQ2 InSbAs 2DEGにイン・サイトでAlをキャップすることで、トポロジカル超伝導に適したハードな超伝導ギャップが得られるか？
• RQ3 位相制御可能なジョセフソン接合、超伝導島、および準1次元構造—代表的なトポロジカルデバイスアーキテクチャ—は、このハイブリッド系で安定して動作可能か？
• RQ4 g因子とスピンオービット結合は、実験的に達成可能な磁場領域でトポロジカル状態を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• InSbAs 2DEGにおける線形ラシバスピンオービットパラメータは最大400 meV·Åに達し、InSb（約100 meV·Å）およびInAsを著しく上回る。
• 約55の大きなg因子が測定され、InSbと同等であり、低磁場でトポロジカル状態に進入するのに有利である。
• 完全なAl/InSbAs界面により、ハードな誘導超伝導ギャップが実現され、分光測定により確認された。
• 位相制御可能なジョセフソン接合は、フラックス依存のギャップ変調を明確に示し、アンドレーエフ束縛状態と整合的である。
• 超伝導島では、ゼロバイアスで2e周期のクーロン振動が観測され、コherentなコープルペア輸送を示している。
• 準1次元超伝導ストリップでは、平行磁場下で約0.7 Tでゼロエネルギー状態が出現し、マヨラナゼロモードの可能性のあるシグネチャーである。