[論文レビュー] Topological Superconductivity and Majorana Fermions in Metallic Surface-States

Andrew C. Potter, Patrick A. Lee|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jan 10, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、強力なラシバスピン軌道結合を有する金属的表面状態（具体的にはAu(111)）において、近接効果によるs波超伝導性を誘起することで、トポロジカル超伝導とマヨラナフェルミオンを実現することを提案する。平行に印加された磁場が、化学ポテンシャルが任意に大きくても、マヨラナ端状態を安定化させ、微調整を必要としない、ゲートで調整可能な強固なマヨラナ物理学を可能にする。この手法は、不純物に強く、STMやトンネルプローブによる実験的実現可能性が高く、有望なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Heavy metals, such as Au, Ag, and Pb, often have sharp surface states that are split by strong Rashba spin-orbit coupling. The strong spin-orbit coupling and two-dimensional nature of these surface states make them ideal platforms for realizing topological superconductivity and Majorana fermions. In this paper, we further develop a proposal to realize Majorana fermions at the ends of quasi-one-dimensional metallic wires. We show how superconductivity can be induced on the metallic surface states by a combination of proximity effect, disorder, and interactions. Applying a magnetic field along the wire can drive the wire into a topologically non-trivial state with Majorana end-states. Unlike the case of a perpendicular field, where the chemical potential must be fined tuned near the Rashba-band crossing, the parallel field allows one to realize Majoranas for arbitrarily large chemical potential. We then show that, despite the presence of a large carrier density from the bulk metal, it is still possible to effectively control the chemical potential of the surface states by gating. The simplest version of our proposal, which involves only an Au(111) film deposited on a conventional superconductor, should be readily realizable.

研究の動機と目的

• 半導体ナノワイヤーにおけるラシバスピン軌道結合の小ささという課題に取り組み、超伝導ギャップのサイズが小さくなり、不純物への感受性が高まることを緩和する。
• 垂直磁場下の設定において、ラシババンドギャップ付近での化学ポテンシャルの正確な調整を回避する。
• 実験的に達成可能な条件下で、大きなラシバスピン分裂（例：Au(111)）を有する金属的表面状態が、トポロジカル超伝導とマヨラナフェルミオンを実現可能であることを示す。
• 高いバルクキャリア密度がある中でも、トップゲートが表面状態の化学ポテンシャルを効果的に制御できることを示す。
• 平行磁場を用いた、従来の超伝導体上にAu(111)を配置したシンプルで実験的に実現可能なプラットフォームを提案し、マヨラナゼロモードの検出を可能にする。

提案手法

• 金（Au(111)）などの重金属のラシバスピン分裂表面状態に近接効果を用いて超伝導性を誘起し、強いスピン軌道結合が有効なp+ipペアリングを可能にする。
• ワイヤーに平行に磁場を印加してゼーマンギャップを開き、単一のヘリカルバンドを選択し、トポロジカル超伝導相を誘起する。
• Au(111)表面状態の大きなラシバ分裂（Δso ≈ 50 meV）を活用し、大きな誘導超伝導ギャップ（ΔS ≈ 5 K）と長いコherence長（ξ₀ ≈ 5 μm）を実現する。
• バルク密度状態が高いため、シンプルなトップゲート構造を用いて表面状態の化学ポテンシャルを静電的に調整する。
• 平面トンネルまたはSTM測定を用いて、誘導された表面超伝導ギャップとマヨラナゼロモードを、量子化された電導度（2e²/h）によって検出する。
• 局所ゲートを用いて準位の占有数を±1変化させることで、ミニギャップに起因する準位を最小化し、実験的曖昧さを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学ポテンシャルの微調整を必要とせずに、強いラシバスピン軌道結合を有する金属的表面状態で、トポロジカル超伝導とマヨラナフェルミオンを実現可能か？
• RQ2 垂直磁場とは対照的に、平行磁場が高化学ポテンシャルにおいてマヨラナ端状態を安定化させるメカニズムは何か？
• RQ3 高密度バルク金属が存在する中で、トップゲートが表面状態の化学ポテンシャルをどれほど効果的に制御できるか？
• RQ4 不純物と電子相互作用が、有限な表面超伝導ギャップを生じる間接的ペアリング機構を媒介する役割を果たす程度は？
• RQ5 サブギャップ状態を有するマルチチャネルワイヤーにおいて、トンネル分光法を用いてマヨラナゼロモードの存在を明確に検出可能か？

主な発見

• 平行磁場の幾何学的配置により、化学ポテンシャルが任意に大きくてもマヨラナフェルミオンを実現可能であり、ラシババンドギャップ付近での微調整が不要となる。
• Au(111)表面状態は大きなラシバ分裂（Δso ≈ 50 meV）を示し、顕著な誘導超伝導ギャップ（ΔS ≈ 5 K）と長いコherence長（ξ₀ ≈ 5 μm）を実現可能である。
• バルクキャリア密度が高いため、シンプルなトップゲートでも表面状態の化学ポテンシャルを効果的に制御でき、複雑なゲーティング構造を必要としない。
• 誘導された表面超伝導ギャップ（ΔS）は、不純物と相互作用による間接散乱に起因し、意図的な不純度を導入することでペアリング効率を向上させられる。
• マヨラナゼロモードは、共鳴アンドレーエフ反射により、サブギャップ状態が存在する中でも、量子化電導度2e²/hとして検出可能である。
• エネルギー間隔がΔmg程度のサブギャップ状態は、局所ゲートで準位の占有数を±1シフトさせることで最小化でき、トンネル測定におけるマヨラナシグネチャの分解能が向上する。