[論文レビュー] Protocol to identify a topological superconducting phase in a three-terminal device

Dmitry I. Pikulin, Bernard van Heck+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 104被引用数 31

ひとこと要約

論文は Topological Gap Protocol (TGP) を提示する。三端子デバイスにおける二段階の自動導電性ベースの手順で、局所ZBP検出と非局所のギャップ閉鎖/再開測定を組み合わせて、Majorana零モードをホストするトポロジカル超伝導相を特定・検証する。データ解析を系統立てて行うことで、位相をトリビアルなAndreev結合状態や乱雑性の影響から頑健に識別することを強調している。

ABSTRACT

We develop a protocol to determine the presence and extent of a topological phase with Majorana zero modes in a hybrid superconductor-semiconductor device. The protocol is based on conductance measurements in a three-terminal device with two normal leads and one superconducting lead. A radio-frequency technique acts as a proxy for the measurement of local conductance, allowing a rapid, systematic scan of the large experimental phase space of the device. Majorana zero modes cause zero bias conductance peaks at each end of the wire, so we identify promising regions of the phase space by filtering for this condition. To validate the presence of a topological phase, a subsequent measurement of the non-local conductance in these regions is used to detect a topological transition via the closing and reopening of the bulk energy gap. We define data analysis routines that allow for an automated and unbiased execution of the protocol. Our protocol is designed to screen out false positives, especially trivial Andreev bound states that mimic Majorana zero modes in local conductance. We apply the protocol to several examples of simulated data illustrating the detection of topological phases and the screening of false positives.

研究の動機と目的

• 三端子デバイスにおけるMajoranaベースのトポロジカル相を同定するための具体的な実験プロトコルを開発する。
• 局所導電性測定を迅速に、非局所導電性を遅く組み合わせて、体積ギャップの閉塞と再開を特定する。
• トリビナルなAndreev結合状態からの偽陽性を除去するためにデータ解析を自動化する。
• トポロジーの証拠として、相関したZBPの存在とバルクギャップの遷移を要求する堅牢な方法を提案する。

提案手法

• 三端子デバイスの全導電性マトリクスを測定する（局所および非局所）。
• 局所導電性を介して両端で相関したゼロバイアスピーク（ZBP）のある領域を特定する。
• 非局所導電性を用いてバルクギャップの閉鎖と再開を検出し、トポロジー遷移を示す。
• トポロジー領域を決定し、トポロジーギャップを定量化するためにデータ解析を自動化する。
• シミュレーションおよび試験デバイスデータで較正し、Majoranaの指標をトリビアルなABSと乱れの影響から区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関したZBPの存在と非局所で観測されるバルクギャップの閉鎖と再開が、トポロジー的超導相を頑健に示すか。
• RQ2 全導電性マトリクスのスキャンは、Majorana由来の信号をトリビアルなAndreev結合状態と乱雑性からどれだけ効果的に区別できるか。
• RQ3 三端子デバイスにおけるトポロジー相境界を定義するパラメータ領域（ゲート電圧、磁場）はどこか。
• RQ4 ZBPを伴う境界領域のうち、ギャップを欠く領域の割合はどれくらいで、それがトポロジー同定にどう影響するか。

主な発見

• 局所ZBPスクリーニングと非局所のギャップ閉鎖/再開測定を組み合わせた二段階プロトコルは、トポロジー相を示すことができる。
• 非局所導電性測定はバルクギャップの閉鎖を示すことで相転移線を辿り、局所ZBP観測を補完する。
• 自動化されたデータ解析は、トリビアルABSおよび乱雑性からの偽陽性を減らしつつ、典型的なトポロジー領域を同定できる。
• このプロトコルは、トポロジー相の検出と偽陽性のスクリーニングを示す例示的なシミュレートデータセット上で実証されている。
• 乱雑性と滑らかなポテンシャル変化は準マヨラナ様の特徴を生じさせる可能性があり、プロトコルはそれを除外することを目指す。