[論文レビュー] Majorana Kramers pairs in a high-temperature platform

Zhongbo Yan, Fei Song+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、2次元トポロジカル絶縁体を高温超伝導体（銅酸化物系または鉄系）と結合させることで、高温のマジョラナクリスタル対を提案する。高温超伝導体のd波対称性に起因する、試料のコーナーにおける近接効果誘導対称性の符号反転が、時間反転対称性によって保護されるトポロジカルに保護されたマジョラナゼロモードを各コーナーに生成し、トポロジカルに自明な超伝導体に基づくマジョラナフェルミオンの実現ルートを提供する。

ABSTRACT

We introduce two-dimensional topological insulators in proximity to high-temperature cuprate or iron-based superconductors as possible high-temperature platforms of Majorana Kramers pairs. The proximity-induced pairing at the helical edge states of TI serves as a Dirac mass, whose sign changes at the sample corner due to the pairing symmetry of high-$T_c$ superconductors. This intrinsic sign changing naturally creates at each corner a pair of Majorana zero modes protected by time-reversal symmetry. Conceptually, this is a topologically-trivial-superconductor-based approach for Majorana zero modes. We provide quantitative criteria and suggest candidate materials for this proposal.

研究の動機と目的

• 従来の冷却要件に起因する制限を克服し、高温のマジョラナゼロモードのプラットフォームを特定すること。
• レア材料や複雑なヘテロ構造を必要としないトポロジカル超伝導の実現に挑戦すること。
• 時間反転対称性がトポロジカルに自明な超伝導体に基づくマジョラナクリスタル対を保護するメカニズムを提案すること。
• 実験的実現に向けた定量的基準を提示し、実現可能な候補材料を提案すること。

提案手法

• 2次元トポロジカル絶縁体のヘリカル的エッジ状態を、d波対称性を示す高温超伝導体に近接結合してモデル化すること。
• 近接効果によって誘導される対称性ポテンシャルを分析し、エッジ状態上でディラック質量項として作用することを特定すること。
• 高温超伝導体のd波対称性に起因して、試料のコーナーで誘導対称性の符号が反転することを同定すること。
• 時間反転対称性を用いて、各コーナーに生じるマジョラナゼロモードを保護すること。
• 超伝導対称性および界面結合に基づいて、マジョラナクリスタル対の形成に必要な定量的条件を導出すること。
• 鉄系または銅酸化物超伝導体と界面を形成するビスマス系トポロジカル絶縁体などの候補材料を提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の高温超伝導体を用いて、高温プラットフォームでマジョラナクリスタル対を実現できるか？
• RQ2 高温超伝導体のd波対称性が、試料のコーナーにおける誘導対称性の符号反転をどのように引き起こすか？
• RQ3 この設定において、時間反転対称性がマジョラナゼロモードの保護に果たす役割は何か？
• RQ4 トポロジカルに自明な超伝導体が、対称性保護されたコーナー状態を通じて頑健なマジョラナゼロモードを実現できるか？
• RQ5 このような系におけるマジョラナクリスタル対の形成に必要な定量的条件は何か？

主な発見

• トポロジカル絶縁体のヘリカル的エッジにおける近接効果誘導対称性ポテンシャルは、高温超伝導体のd波対称性に起因して、符号がコーナーで反転するディラック質量項として作用する。
• この内在的な符号反転により、各コーナーに時間反転対称性によって保護されたマジョラナゼロモードのペアが形成される。
• このメカニズムはトポロジカルに自明な超伝導体に依存しており、トポロジカル超伝導体と比較してマジョラナフェルミオンへのより単純なルートを提供する。
• マジョラナモードを安定化させるために必要な、対称性ポテンシャルの不一致および界面透過率の定量的基準を提示している。
• FeAs系または銅酸化物超伝導体と界面を形成するBi2Se3を基盤とするトポロジカル絶縁体が、有望なプラットフォームとして同定された。
• この手法により、従来のトポロジカル超伝導体プラットフォームよりもはるかに高い温度でマジョラナクリスタル対を観測できる可能性が得られる。