[論文レビュー] Topological superconductor from the quantum anomalous Hall state in single layer graphene

L. Wang, M. W. Wu|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、Rashbaスピンオービット結合および交換場によって誘起された量子異常ホール（QAH）状態と$s$-波超伝導体を近接結合させることで、単層グラフェンに二次元トポロジカル超伝導体（TSC）を提案する。ディラック点近くの近似ゼロドーピング条件下で、系はチェーン数4を達成し、4つの頑健なマヨラナ端モードを支持する。また、近接結合によって誘起される超伝導ギャップよりも顕著に大きなトポロジカルなバルクギャップを示し、マヨラナフェルミオンの安定したプラットフォームを実現する。

ABSTRACT

We show that a two-dimensional topological superconductor (TSC) can be realized in a hybrid system with a conventional $s$-wave superconductor proximity-coupled to a quantum anomalous Hall (QAH) state from the Rashba and exchange effects in single layer graphene. With very low or even zero doping near the Dirac points, i.e., two inequivalent valleys, this TSC has a Chern number as large as four, which supports four Majorana edge modes. More importantly, we show that this TSC has a robust topologically nontrivial bulk excitation gap, which can be larger or even one order of magnitude larger than the proximity-induced superconducting gap. This unique property paves a way for the application of QAH insulators as seed materials to realize robust TSCs and Majorana modes.

研究の動機と目的

• 単層グラフェンを基盤とするハイブリッド系において、二次元トポロジカル超伝導体（TSC）を実現すること。
• Rashbaスピンオービット結合および交換場によって誘起される量子異常ホール（QAH）状態を、トポロジカル超伝導性の種として活用すること。
• TSCにおいて、近接結合によって誘起される超伝導ギャップを上回る大きなトポロジカルバルク励起ギャップを達成すること。
• TSC相において、最大で4に達する高いチェイン数により、複数のマヨラナ端モードを支持すること。

提案手法

• 従来の$s$-波超伝導体と、設計されたRashbaスピンオービット結合および交換場を有する単層グラフェン系との近接結合を用いる。
• グラフェンの2つの非等価なバルクのディラック点近くで、非常に低いかゼロのドーピングで動作するように系を設計する。
• ハイブリッド系の有効ハミルトニアンを計算し、トポロジカル不変量および励起スペクトルを決定する。
• 得られた超伝導状態のチェイン数を計算し、そのトポロジカル性を定量化する。
• バルク励起ギャップを計算し、近接結合によって誘起される超伝導ギャップと比較することで、トポロジカルな頑健性を評価する。
• チェイン数および端状態解析を用いて、マヨラナ端モードの存在と数を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層グラフェンに、$s$-波超伝導体への近接結合によって二次元トポロジカル超伝導体を実現できるか？
• RQ2 ディラック点近くの低ドーピング条件下で、このような系が達成可能な最大チェイン数は何か？
• RQ3 この構成において、トポロジカルバルク励起ギャップは、近接結合によって誘起される超伝導ギャップと比べてどうなるか？
• RQ4 高いチェイン数のおかげで、複数の頑健なマヨラナ端モードを支持できるか？
• RQ5 近接結合による超伝導ギャップに対してバルクギャップが大きいことから、系のトポロジカル相は摂動に対して頑健か？

主な発見

• 単層グラフェンに、$s$-波超伝導体への近接結合によって、チェイン数が最大4に達する二次元トポロジカル超伝導体が実現された。
• 高いチェイン数のおかげで、4つのマヨラナ端モードが支持され、頑健なトポロジカル相であることが示された。
• トポロジカルバルク励起ギャップは、近接結合によって誘起される超伝導ギャップよりも顕著に大きく、おおよそ1桁大きい可能性がある。
• 大きなバルクギャップのおかげで、トポロジカルな頑健性が保証され、局所的摂動に対して耐性がある。
• ディラック点近くで非常に低いかゼロのドーピングでも、TSC相は安定しており、トポロジカル保護が維持される。
• 量子異常ホール状態は、グラフェンにおける頑健なトポロジカル超伝導体を実現する有効な種として機能する。