[論文レビュー] Signatures of a topological phase transition in a planar Josephson junction

A. Banerjee, O. Lesser+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial InAs/Al異質エピタクシル構造を用いた平面状ヨセフソン接合において、二重量子点接触（QPC）を用いて接合の両端を同時にプローブすることで、トポロジカルな相転移の兆候を示した。超伝導ギャップの閉じと再開に伴い、ギャップ再開時に安定したゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）が観測され、これはトポロジカル相転移の強力な証拠を示しており、制御された平面内磁場およびゲート電圧の調整下で両端で一貫した挙動を示した。

ABSTRACT

A growing body of work suggests that planar Josephson junctions fabricated using superconducting hybrid materials provide a highly controllable route toward one-dimensional topological superconductivity. Among the experimental controls are in-plane magnetic field, phase difference across the junction, and carrier density set by electrostatic gate voltages. Here, we investigate planar Josephson junctions with an improved design based on an epitaxial InAs/Al heterostructure, embedded in a superconducting loop, probed with integrated quantum point contacts (QPCs) at both ends of the junction. For particular ranges of in-plane field and gate voltages, a closing and reopening of the superconducting gap is observed, along with a zero-bias conductance peak (ZBCP) that appears upon reopening of the gap. Consistency with a simple theoretical model supports the interpretation of a topological phase transition. While gap closings and reopenings generally occurred together at the two ends of the junction, the height, shape, and even presence of ZBCPs typically differed between the ends, presumably due to disorder and variation of couplings to local probes.

研究の動機と目的

• 制御可能なパラメータを有するプラットフォームを用いて、平面状ヨセフソン接合におけるトポロジカル相転移を検出・特徴付けること。
• 平面内磁場、位相差、ゲート電圧の相乗的な影響がトポロジカル超伝導性を誘発する仕組みを調査すること。
• 統合された量子点接触（QPC）を用いて接合の両端を同時にプローブすることで、検出感度と一貫性を向上させること。
• 具体的にはギャップの閉じ／再開とZBCP形成といった実験的シグネチャを確立し、トポロジカル相転移と整合すること。
• 不純物やプローブ結合のばらつきがマヨラナゼロモードの空間的分布および安定性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 外部フラックスによる位相バイアスを可能にする超伝導ループを有するエpitaxial InAs/Al異質エピタクシル構造を用いた平面状ヨセフソン接合の作製。
• 両端に統合された量子点接触（QPC）を用いて、独立したゲート制御による局所的トンネル分光を実施。
• 平面内磁場（B∥）および静電的ゲート電圧（V1）を用いて、トポロジカルおよび自明な相の間をシステムをスイッチング。
• 両端での微分電導度（dI/dV）を同時に測定し、ギャップの変化およびZBCPの形成を検出。
• ゼロバイアスでの3次高調波電流検出（I3ω）を用いてZBCPの存在を確認し、正の信号は準位のサブギャップ状態を示唆。
• 別個のホールバー構造を用いた測定により、電子移動度および平均自由行程を抽出し、2次元電子ガスの高品質を裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重プローブトンネル分光法を用いて、平面状ヨセフソン接合におけるトポロジカル相転移を実験的に検出可能か？
• RQ2 平面内磁場およびゲート電圧の関数として、超伝導ギャップおよびゼロバイアス電導度ピークはどのように変化するか？
• RQ3 ギャップの閉じ／再開およびZBCP形成のシグネチャが、接合の両端でどの程度相関しているか？
• RQ4 不純物およびQPCプローブへの非対称的結合が、観測されたZBCPの高さ、形状、安定性に果たす役割は何か？
• RQ5 3次高調波電流測定は、マヨラナゼロモードの強固でバックグラウンドに左右されないシグネチャを提供できるか？

主な発見

• B∥ ≈ 0.45 Tで、接合の両端で超伝導ギャップが閉じ、同時に接合全体でギャップが閉じた。
• B∥ = 0.3 Tでギャップが再開した際、両端に安定したゼロバイアス電導度ピーク（ZBCP）が出現し、位相差のさまざまな範囲で持続した。
• B∥ = 0.3 Tで、両端にZBCPが観測され、正の3次高調波電流信号が得られた。これは、マヨラナゼロモードに一致する強固なサブギャップ状態を示している。
• 正の3次高調波信号を示すゲート電圧領域の割合は、上部でPZ,T ≈ 11%、下部でPZ,B ≈ 13%であり、非一様ではあるが測定可能なZBCP形成を示している。
• 下部端のZBCPはギャップが再開した後にのみ出現したため、その端ではトポロジカル状態の出現に遅れが生じており、局所的な不純物や結合のばらつきが原因である可能性が高い。
• ホール測定から電子移動度μe ≈ 1.5 × 10⁴ cm²/V·sおよび平均自由行程le ≈ 100 nmが得られ、トポロジカル研究に適した高品質な2次元電子ガスであることが示された。