[論文レビュー] Large zero bias peaks and dips in a four-terminal thin InAs-Al nanowire device

Huading Song, Zitong Zhang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、四端子構造の薄いInAs-Alナノワイヤデバイスにおいて、ゲートおよび磁場の調整に伴い、$2e^2/h$付近で量子化された導電率を示す大規模なゼロバイアスピーク（ZBP）とディップ（ZBD）が報告されている。接触抵抗を排除するための四端子構造を採用することで、ZBPとZBDの間で滑らかな遷移が観察され、導電率は依然として安定して量子化値に近い状態を保っている。これは、不純物や滑らかなポテンシャルの変動によって影響を受けるトポロジカルに非自明な状態において、準マヨラナゼロモードが生成されている可能性を示唆している。

ABSTRACT

We report electron transport studies of a thin InAs-Al hybrid semiconductor-superconductor nanowire device using a four-terminal design. Compared to previous works, thinner InAs nanowire (diameter less than 40 nm) is expected to reach fewer sub-band regime. The four-terminal device design excludes electrode contact resistance, an unknown value which has inevitably affected previously reported device conductance. Using tunneling spectroscopy, we find large zero-bias peaks (ZBPs) in differential conductance on the order of $2e^2/h$. Investigating the ZBP evolution by sweeping various gate voltages and magnetic field, we find a transition between a zero-bias peak and a zero-bias dip while the zero-bias conductance sticks close to $2e^2/h$. We discuss a topologically trivial interpretation involving disorder, smooth potential variation and quasi-Majorana zero modes.

研究の動機と目的

• マヨラナゼロモード（MZM）の検出において未知の接触抵抗による系統的誤差を排除するため、四端子デバイス構造を用いること。
• 薄いInAs-Alナノワイヤにおいて、導電率が$2e^2/h$付近に近い大規模なゼロバイアスピーク（ZBP）の発生原因を調査すること。
• 導電率が量子化値に近い状態を維持しながら、ゼロバイアスピークとディップの間の遷移を調査すること。
• 不純物および滑らかなポテンシャルの変動が、トポロジカルに非自明な系においても、量子化されたZBPを生成する役割を果たすかどうかを評価すること。
• 将来の最適化のための基盤を提供し、ハイブリッドナノワイヤデバイスにおけるより良好に量子化された平坦な導電率プラトーを実現すること。

提案手法

• ソースおよびドレインの接触を分離する四端子デバイス幾何構造を採用することで、電極の接触抵抗による不確実性を排除する。
• トンネル分光法を用いて、ゲート電圧（$V_{TG}$, $V_{BG}$）および磁場（$B$）を関数として微分導電率（$dI/dV$）を測定する。
• ゲートおよび磁場パラメータの範囲でゼロバイアス導電率マップを測定し、ZBPおよびZBDの特徴を特定する。
• ゲートスイープデータを分析し、$2e^2/h$周辺の導電率におけるプラトー様の振る舞いを評価する。これには、平均値および標準偏差を含む。
• 「レッドアイランド」と呼ばれるプラトー様のZBPを明確に分離・解像するため、精密に調整されたゲートパス（$V_{BG}$および$V_{TG}$）を用いる。
• 線断面（line-cuts）による$dI/dV$の解析を通じて、ゼロバイアスディップおよび導電率における小さな準周期的振動の有無を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 四端子構造の薄いInAs-Alナノワイヤデバイスにおいて、導電率が$2e^2/h$付近に近い大規模なゼロバイアスピーク（ZBP）を安定して観測できるか？
• RQ2 磁場およびゲートの調整の下で、ゼロバイアスピークとディップの間の遷移が進行する際、導電率が$2e^2/h$付近に量子化されたまま保たれるか？
• RQ3 トポロジカルに非自明な系において、不純物および滑らかなポテンシャルの変動が、マヨラナゼロモードに類似した量子化されたZBPをどれほど生成できるか？
• RQ4 異なるゲートおよび磁場設定下での観測されたZBPおよびZBDの特徴は、どのように比較されるか？
• RQ5 バイアス-ゲートスキャンにおいて観測された小さな準周期的振動およびダイヤモンド型の特徴の起源は何か？

主な発見

• デバイスは、四端子構造におけるトンネル分光法により確認された大規模なゼロバイアスピーク（ZBP）を示し、導電率が$2e^2/h$に達している。
• 磁場の調整の下で、ゼロバイアスピークとディップの間の滑らかな遷移が観察され、ゼロバイアス導電率は$2e^2/h$に近い状態を維持している。
• 0.85 Tで、-3.323 Vから-2.963 Vのゲート範囲において、ゼロバイアス導電率は$1.05 \pm 0.06$（$2e^2/h$単位）の範囲に収まり、プラトー様の特徴を示している。
• 別個のデータセットにおいては顕著な電荷ジャンプを伴うゼロバイアスディップ（ZBD）が観測されたが、精密に調整されたゲートスイープにより、$1.05 \pm 0.06$（$2e^2/h$単位）の「プラトー様」領域が解明された。
• $dI/dV$の線断面において、約0.2 mVまたはそれ以下のダイヤモンド型の形状を示す小さな準周期的振動が観測された。これは、短いナノワイヤ量子ドットにおけるクーロン遮蔽と関連している可能性がある。
• データから、不純物および滑らかなポテンシャルの変動に起因する準マヨラナゼロモードが、トポロジカルに非自明な系においても、量子化されたZBPを生成することが示唆されている。