[論文レビュー] Topological Superconductivity in a Phase-Controlled Josephson Junction

Hechen Ren, Falko Pientka+10 more|RePEc: Research Papers in Economics|Sep 10, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、位相差φおよび面内磁場を制御することにより、2次元HgTe量子井戸ヨージェンソン接合において、チューナブルなトポロジカル超伝導を実証した。増加する磁場に応じて拡張するゼロバイアス電導ピークは、トポロジカル相転移の直接的証拠を示しており、マヨラナ局在状態およびトポロジカル量子計算のスケーラブルなプラットフォームを確立する。

ABSTRACT

Topological superconductors can support localized Majorana states at their boundaries. These quasi-particle excitations have non-Abelian statistics that can be used to encode and manipulate quantum information in a topologically protected manner. While signatures of Majorana bound states have been observed in one-dimensional systems, there is an ongoing effort to find alternative platforms that do not require fine-tuning of parameters and can be easily scalable to large numbers of states. Here we present a novel experimental approach towards a two-dimensional architecture. Using a Josephson junction made of HgTe quantum well coupled to thin-film aluminum, we are able to tune between a trivial and a topological superconducting state by controlling the phase difference $ϕ$ across the junction and applying an in-plane magnetic field. We determine the topological state of the induced superconductor by measuring the tunneling conductance at the edge of the junction. At low magnetic fields, we observe a minimum in the tunneling spectra near zero bias, consistent with a trivial superconductor. However, as the magnetic field increases, the tunneling conductance develops a zero-bias peak which persists over a range of $ϕ$ that expands systematically with increasing magnetic fields. Our observations are consistent with theoretical predictions for this system and with full quantum mechanical numerical simulations performed on model systems with similar dimensions and parameters. Our work establishes this system as a promising platform for realizing topological superconductivity and for creating and manipulating Majorana modes and will therefore open new avenues for probing topological superconducting phases in two-dimensional systems.

研究の動機と目的

• 微調整パラメータを必要としない、スケーラブルな2次元プラットフォームを構築し、トポロジカル超伝導を実現すること。
• 1次元マヨラナプラットフォームの限界（不安定性やスケーラビリティの課題）を克服すること。
• 位相差φおよび面内ゼーマン場という独立した制御ノブを用いて、トポロジカル相転移を制御すること。
• 2次元系におけるトンネルスペクトロスコピーを用いて、マヨラナ局在状態の実験的証拠を提供すること。
• 位相バイアスとスピン軌道結合を用いて、幾何学に依存しない堅牢なトポロジカル超伝導への道筋を確立すること。

提案手法

• 薄膜アルミニウム超伝導リードを用いたHgTe量子井戸を用いた平面型ヨージェンソン接合をフォーメーションした。
• 制御可能な面内磁場を印加してゼーマンエネルギー$E_Z$を調整し、トポロジカル相転移を誘発した。
• 接合部に位相バイアスをかけることで、自立的な制御ノブとしての位相差φを用い、非自明な超伝導状態とトポロジカル超伝導状態の間をチューニングした。
• 接合端縁でのトンネル電導スペクトロスコピーを実施し、準位エネルギー準位とゼロバイアスピークの検出を目的とした。
• 実験観測を検証するため、同様の寸法とパラメータを持つモデル系の完全な量子力学的数値シミュレーションを実施した。
• 位相差φと$E_Z$空間におけるトポロジカル超伝導の相境界をマッピングし、ダイヤモンド型のトポロジカル超伝導領域を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相制御と面内磁場を有する2次元ヨージェンソン接合が、非自明な超伝導状態とトポロジカル超伝導状態の間をチューニングできるか？
• RQ2 増加する面内磁場に伴いゼロバイアス電導ピークが出現することは、トポロジカル相転移を示唆するか？
• RQ3 正規反射や化学ポテンシャル、幾何学的パラメータなどの系のパラメータに対して、トポロジカル相境界はどれほど頑健か？
• RQ4 観測されたゼロバイアスピークは、マヨラナ局在状態に起因するのか、それともトポロジカル転移付近の準1次元準位状態に起因するのか？
• RQ5 位相バイアスは、2次元プラットフォームにおけるトポロジカル状態の正確かつスケーラブルな制御をどの程度可能にするか？

主な発見

• ゼロバイアス電導ピーク（ZBP）が増加する面内磁場に応じて発現し、広がりを示し、位相差$\phi$の広い範囲にわたり持続する。
• ZBPは$B_x \gtrsim 0.5$ Tで出現し、$B_x = 1$ Tで強く安定化し、すべての$\phi$値で観測される。これはトポロジカル相を示唆する。
• バイアス電圧に伴うゼロバイアス電導のカーブが磁場増加に伴い単調に減少し、谷からピークに移行する。これは理論的予測と整合的である。
• 数値的シミュレーションは実験データを再現し、ZBPが局在的マヨラナモードではなく、準1次元準位状態帯におけるゼロエネルギー近傍の状態密度の増強に起因することを示した。
• 正規反射に対して強く頑健であり、サンプルの幾何学的形状や化学ポテンシャルの変化に対してもほとんど感度を示さず、$\phi$-$E_Z$空間にダイヤモンド型のトポロジカル超伝導領域を形成する。
• トポロジカル転移付近ではゼロエネルギー近傍に強く増幅された状態密度を示し、これが緩和幅が誘導ギャップを上回る場合にZBPとして顕在化する。