[論文レビュー] Parity-preserving and magnetic field resilient superconductivity in indium antimonide nanowires with tin shells

Mihir Pendharkar, B. Zhang+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、エpitaxialスニウム被膜を有するInSbナノワイヤで、600–700 μeVのハード超伝導ギャップと4 Tまでの磁場耐性を実証し、Sn島におけるパリティ保存型2e充電を達成した。これはトポロジカル量子計算およびトランモンキュービットの重要な兆候である。結果は、原子水素による洗浄、冷却下でのスニウム蒸着、および即時のAlOₓ被覆によって得られ、完全な界面や単一サイクル成長を必要としない、頑健な超伝導性を実現した。

ABSTRACT

We study bottom-up grown semiconductor indium antimonide nanowires that are coated with shells of tin. The shells are uniform in thickness. The interface between Sn and InSb is abrupt and without interdiffusion. Devices for transport are prepared by in-situ shadowing of nanowires using nearby nanowires as well as flakes, resulting in etch-free junctions. Tin is found to induce a hard superconducting gap in the range 600-700 micro-eV. Superconductivity persists up to 4 T in magnetic field. A tin island exhibits the coveted two-electron charging effect, a hallmark of charge parity stability. The findings open avenues for superconducting and topological quantum circuits based on new superconductor-semiconductor combinations.

研究の動機と目的

• スニウムをアルミニウムの代替として用いることにより、トポロジカル量子計算向けに頑健な超伝導体-半導体ハイブリッド系を開発すること。
• エpitaxialまたは欠陥のない界面を必要とせずに、InSbナノワイヤでハード超伝導ギャップと高い磁場耐性を達成すること。
• Sn島における2e周期的充電を実証し、長寿命キュービットに不可欠な電荷パリティ安定性の顕著な兆候を示すこと。
• 非伝統的超伝導体-半導体系において高精度な超伝導結合を実現するための界面工学的手順を同定すること。
• Sn/InSbが、デ coherent 損失に優れたトランモンキュービットおよびメイジャー型キュービットのプラットフォームとして実現可能であるかを検討すること。

提案手法

• InSb (111)BまたはInP (100)基板上に金触媒と選択的領域マスクを用いて、蒸気-液体-固体エpitaxy法によりInSbナノワイヤを成長させた。
• スニウム蒸着の直前、H₂雰囲気（5×10⁻⁶ Torr）下で380 °Cで原子水素洗浄を行い、天然のInSb酸化被膜を除去した。
• 15 nmのスニウム被膜を、60°の蒸着角度を用いて85 K（−188 °C）で蒸着し、イン・スイット・シャドウイングと均一な被膜を実現した。
• 成長後、室温で電子線蒸着により3 nmのAlOₓキャップ層を即時形成し、Sn/InSb界面を被覆した。
• 電子線リソグラフィーとTi/Au接触を用いて、Si/SiO₂基板上にデバイスをフォーマットし、ナノワイヤーやフラケのシャドウイングをイン・スイットで利用してエッチングフリーの接合を形成した。
• 30 mKのデュアルリフュージョン冷凍機を用い、ロックインおよびDC法による輸送測定を実施し、直列抵抗補正を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エpitaxialまたは欠陥のない界面を必要とせずに、スニウムがInSbナノワイヤにハード超伝導ギャップを誘発できるか？
• RQ2 Sn/InSb超伝導性は高磁場下でもどの程度持続するか。また、アルミニウム系と比較して磁場耐性に優れているか？
• RQ3 スニウム被膜は2e周期的充電を支持するか。これは、超伝導島におけるパリティ安定性の主要な兆候である。
• RQ4 非アルミニウム系システムにおいて、高品質な超伝導結合を達成するために不可欠な界面準備プロトコルは何か？
• RQ5 Sn/InSbプラットフォームはトポロジカル超伝導性を示し、メイジャー型キュービットのためのAl/InSbの代替として実現可能か？

主な発見

• 15 nmのスニウム被膜を有するInSbナノワイヤで、トンネル分光法により600–700 μeVのハード超伝導ギャップが確認された。
• 磁場が4 Tに達するまで超伝導性が維持され、アルミニウム系システムと比較して顕著な磁場耐性を示した。
• 小さなスニウム島では明確な2e周期的充電行動が観測され、電荷パリティ安定性および長寿命準粒子状態の確認が得られた。
• TEMおよびEDSにより、Sn-InSb界面に検出可能な酸化物が存在しないことが確認されたが、相互拡散は除外された。
• 原子水素洗浄、85 Kでの冷却下でのスニウム蒸着、および即時のAlOₓ被覆が、高品質な超伝導結合を達成する上で極めて重要であることが判明した。
• 結果として、エpitaxial整列や単一サイクル成長が、頑健な誘導超伝導性に必要ではないことが示され、量子回路の材料設計の余地が広がった。