[論文レビュー] Proximity induced superconductivity in a topological insulator

Philipp Rüßmann, Stefan Blügel|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本計算研究では、Nb/Bi2Te3ヘテロ構造における近接効果誘発超伝導性を調査し、位相的表面状態（TSS）が近接結合によって強固な超伝導ギャップを経験する一方、電荷移動に起因するバンド湾曲によって形成される自明な界面状態は僅かに近接効果を受けることが明らかになった。主な発見は、TSSはフェルミエネルギーの変動に対しても良好にギャップを保ち、耐性を示すが、自明な状態におけるわずかな超伝導ギャップが、このプラットフォームにおけるマヨラナ基底状態に基づくキュービット実現の障害となっていることである。

ABSTRACT

Interfacing a topological insulator (TI) with an $s$-wave superconductor (SC) is a promising material platform that offers the possibility to realize a topological superconductor through which Majorana-based topologically protected qubits can be engineered. In our computational study of the prototypical SC/TI interface between Nb and Bi$_2$Te$_3$, we identify the benefits and possible bottlenecks of this potential Majorana material platform. Bringing Nb in contact with the TI film induces charge doping from the SC to the TI, which shifts the Fermi level into the TI conduction band. For thick TI films, this results in band bending leading to the population of trivial TI quantum-well states at the interface. In the superconducting state, we uncover that the topological surface state experiences a sizable superconducting gap-opening at the SC/TI interface, which is furthermore robust against fluctuations of the Fermi energy. We also show that the trivial interface state is only marginally proximitized, potentially obstructing the realization of Majorana-based qubits in this material platform.

研究の動機と目的

• SC/TIヘテロ構造における界面化学、電子構造、および近接効果誘発超伝導性の相乗作用を理解すること。
• Nb/Bi2Te3を位相的超伝導性およびマヨラナゼロモードの実現プラットフォームとして用いる利点と障害要因を特定すること。
• Nb/Bi2Te3界面における電荷移動およびバンド湾曲が、位相的状態および自明な状態における超伝導ギャップに与える影響を調査すること。
• フェルミエネルギーの変動に対して誘発された超伝導ギャップがTSSにどれほど耐性を示すかを評価すること。
• この材料系における位相的に保護されたキュービットの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）およびボゴリューボフ＝デ・ゲーンズ（BdG）法を用いて、Nb/Bi2Te3ヘテロ構造の電子構造および超伝導性をモデル化する。
• SC/TI界面を模擬するため、6層のNb(111)と2～10量子積層層のBi2Te3を含む最小構造モデルを採用する。
• KKR-BdG法を適用し、電子構造の現実的な記述を実施し、実験的Nbギャップ（0.12 mRy）に一致するように調整可能なペアリングポテンシャルを導入する。
• Bi2Te3における誘発ギャップの解像度を確保するため、超伝導ギャップをスケーリングし、結合定数を変化させることで耐性をテストする。
• AiiDA-KKRプラグインを用いて完全なデータプロバンスを確保し、FAIR準拠のデータ共有を実現し、すべてのデータおよびコードを公開する。
• 波動関数の局在化およびバンド構造解析を用いて、TSS、界面状態、およびバルク状態の寄与を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbからBi2Te3への電荷移動が、位相的半導体内の電子構造および超伝導ギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ2 バンド湾曲によって形成される自明な界面状態と比較して、位相的表面状態（TSS）はどの程度近接効果を受けるか？
• RQ3 フェルミエネルギーの変動に対して、TSSにおける誘発超伝導ギャップはどの程度耐性を示すか？
• RQ4 超伝導体との波動関数の混合が、近接効果誘発ペアリングの強度を決定する上で果たす役割は何か？
• RQ5 自明な界面状態は界面に位置しているにもかかわらず、なぜ僅かにしか超伝導性を示さないのか？

主な発見

• Bi2Te3の自由表面における位相的表面状態（TSS）は、Nbとの近接結合により顕著な超伝導ギャップを経験し、フェルミエネルギーの変動に対しても耐性を示す。
• NbからBi2Te3への電荷移動によりフェルミレベルが伝導帯にシフトし、バンド湾曲が生じ、厚膜では界面で自明な量子井戸状態が占有される。
• バンド湾曲に起因する自明な界面状態は僅かにしか近接効果を受けておらず、非常に小さな超伝導ギャップを獲得する。
• TSSにおける超伝導ギャップは、Nb/Bi2Te3界面からの距離に従って指数関数的に減少し、近接効果の期待される挙動と一致する。
• TSSの波動関数はNb領域と重なりを示さないが、空間的に分離しているにもかかわらず強固な近接効果を示す理由が説明できる。
• 結合定数の変動に対しても結果が頑健であるため、結論がこの近似に敏感でないことが示された。