[論文レビュー] Observation of Majorana Fermions in a Nb-InSb Nanowire-Nb Hybrid Quantum Device

M. T. Deng, Chunlin Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2012

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 636

ひとこと要約

本研究では、Nb-InSbナノワイヤ-Nbハイブリッド量子デバイスにおいて、近接効果による超伝導性と外部磁場からのゼーマン場が、非自明なトポロジカル超伝導体相に系を駆り立てるのを実験的に観測した。0.9–2.6 Tの範囲で、ゲート電圧に依存し、より高い磁場で抑制される、きわめて安定したゼロバイアス電導度プラトーが観測され、ナノワイヤの両端にマヨラナ束縁状態が存在する強力な証拠となった。

ABSTRACT

We report on the observation of excitation of Majorana fermions in a Nb-InSb nanowire quantum dot-Nb hybrid system. The InSb nanowire quantum dot is formed between the two Nb contacts by weak Schottky barriers and is thus in the regime of strong couplings to the contacts. Due to the proximity effect, the InSb nanowire segments covered by superconductor Nb contacts turn to superconductors with a superconducting energy gap $Δ^*$. Under an applied magnetic field larger than a critical value for which the Zeeman energy in the InSb nanowire is $E_z\sim Δ^*$, the entire InSb nanowire is found to be in a nontrivial topological superconductor phase, supporting a pair of Majorana fermions, and Cooper pairs can transport between the superconductor Nb contacts via the Majorana fermion states. This transport process will be suppressed when the applied magnetic field becomes larger than a second critical value at which the transition to a trivial topological superconductor phase occurs in the system. This physical scenario has been observed in our experiment. We have found that the measured zero-bias conductance for our hybrid device shows a conductance plateau in a range of the applied magnetic field in quasi-particle Coulomb blockade regions.

研究の動機と目的

• ハイブリッド超伝導体-半導体ナノワイヤデバイスを用いて、固体系におけるマヨラナフェルミオンを、スケーラブルで輸送ベースの手法で検出することを目的とする。
• 完全に超伝導体で包まれたナノワイヤでは磁場の浸透と検出が困難であるという課題を、2つのNb接触を有するジョセフソン接合構成を用いることで克服することを目的とする。
• マヨラナフェルミオンが、明確に定義されたトポロジカル相において、標準的な電気的輸送測定によってプローブ可能となるプラットフォームを確立することを目的とする。
• 制御された磁場とゲート電圧の下で、量子化されたゼロバイアス電導度プラトーの観測を通じて、マヨラナ束縁状態の出現を検証することを目的とする。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィー、スパッタリング、リフトオフを用いて、InAs/InSbヘテロ構造ナノワイヤのInSb断片上に80 nm幅のNb接触を定義し、Nb-InSbナノワイヤ-Nbジョセフソン接合デバイスを製作した。
• 天然酸化被膜を除去し、NbとInSb間の強い近接結合を確保するために、(NH₄)₂Sₓを用いた表面化学的処理を実施した。
• 電子密度を調整し、2つのNb超伝導接点間の位相差を制御するためにバックゲート構造を採用した。
• 3He/4Heのジュール-ティムソン冷凍機を用い、20 mKまでの低温輸送測定を実施し、微分電導度とジョセフソン電流を測定した。
• 垂直磁場を印加してゼーマン分裂を誘発し、E_z ≈ Δ* となる条件で、系をトポロジカル超伝導体相に誘導した。
• 微分電導度とゼロバイアスピークの進化を分析し、マヨラナフェルミオンの特徴（電導度プラトーとギャップ抑制）を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な電気的輸送測定を用いて、ハイブリッド超伝導体-半導体ナノワイヤデバイス内でマヨラナフェルミオンを実験的に検出可能か？
• RQ2 トポロジカル超伝導体相転移と整合する磁場範囲で、ゼロバイアス電導度プラトーが出現するか？
• RQ3 電導度プラトーはゲート電圧と磁場にどのように依存するか？また、これは系の位相コherー二ンスとトポロジカル性質に何を示唆するか？
• RQ4 完全に超伝導体で包まれた接触ではメイソン効果が顕著になるが、ジョセフソン接合構成が、マヨラナ状態の検出を可能にする役割は何か？
• RQ5 観測された電導度特徴は、非自明なトポロジカル超伝導体相から自明なトポロジカル超伝導体相への遷移によって説明可能か？

主な発見

• 微分電導度において、0.9 Tから2.6 Tの範囲で、きわめて安定したゼロバイアス電導度プラトーが観測され、マヨラナ束縁状態の存在を示した。
• プラトーの高さはバックゲート電圧に依存しており、2つのNb超伝導接点間の位相差に依存している可能性を示唆した。
• ゼロ磁場下ではジョセフソン超電流と複数のアンドレーエフ反射が観測され、InSbナノワイヤにおける近接効果による超伝導性が確認された。
• 複数のアンドレーエフ反射の特徴から、Nbの超伝導ギャップ（Δ_Nb）とInSbセグメントの超伝導ギャップ（Δ_InSb）が実験的に解明された。
• 磁場が2.6 Tを超えると、ゼロバイアス電導度が急激に低下し、自明なトポロジカル超伝導体相への遷移を示した。
• 超伝導ギャップの進化—プラトーの端でほぼ消失し、より高い磁場で再び開く—は、トポロジカル相転移の理論的予測と一致した。