[논문 리뷰] Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices

Morteza Kayyalha, Di Xiao외 15명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 03.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 44인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 양자 이상 홀(QAH)-초전도체 하이브리드 장치를 통해 토폴로지적 양자 컴퓨팅의 핵심인 측면 메이저라 페르미온을 검증하기 위해 수행된다. 전기 게이팅을 통해 QAH 필름의 전도도를 조절함으로써, 저자들은 QAH 상태에서 반량자화된 전도도 평탄선을 관측했지만, 이를 메이저라 모드가 아니라 안드레에프 반사와 투명한 인터페이스로 기인한다고 주장하며, 관측된 신호가 측면 메이저라 페르미온에 기인할 가능성은 낮다고 결론을 내린다.

ABSTRACT

A quantum anomalous Hall (QAH) insulator coupled to an s-wave superconductor is predicted to harbor a topological superconducting phase, the elementary excitations of which (i.e. Majorana fermions) can form topological qubits upon non-Abelian braiding operations. A recent transport experiment interprets the half-quantized two-terminal conductance plateau as the presence of chiral Majorana fermions in a millimeter-size QAH-Nb hybrid structure. However, there are concerns about this interpretation because non-Majorana mechanisms can also generate similar signatures, especially in a disordered QAH system. Here, we fabricated QAH-Nb hybrid structures and studied the QAH-Nb contact transparency and its effect on the corresponding two-terminal conductance. When the QAH film is tuned to the metallic regime by electric gating, we observed a sharp zero-bias enhancement in the differential conductance, up to 80% at zero magnetic field. This large enhancement suggests high probability of Andreev reflection and transparent interface between the magnetic topological insulator (TI) and Nb layers. When the magnetic TI film is in the QAH state with well-aligned magnetization, we found that the two-terminal conductance is always half-quantized. Our experiment provides a comprehensive understanding of the superconducting proximity effect observed in QAH-superconductor hybrid structures and shows that the half-quantized conductance plateau is unlikely to be induced by chiral Majorana fermions.

연구 동기 및 목표

• QAH-Nb 하이브리드 장치에서 보고된 반량자화된 전도도 평탄선이 측면 메이저라 페르미온에서 기인하는지 여부를 규명하는 것.
• QAH-Nb 인터페이스의 투명도와 비례 효과가 운반 서명을 생성하는 데 미치는 영향을 조사하는 것.
• 비-메이저라 메커니즘, 예를 들어 안드레에프 반사와 같은 것이 관측된 전도도 평탄선을 재현할 수 있는지 평가하는 것.
• 변경 가능한 게이트 전압과 자장 하에서 QAH-초전도체 이방성 구조에서의 초전도성 비례 효과를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 분자비임피택스기법과 탈리화 기술을 사용하여 QAH-Nb 하이브리드 구조를 제작하였다.
• 전기 게이팅을 통해 QAH 필름을 절연체에서 금속성 영역으로 조절함으로써, 운반자 농도와 인터페이스 투명도를 제어하였다.
• 게이트 전압과 자장에 따른 이중단 미분 전도도를 측정하여 비례 유도 초전도성을 탐색하였다.
• 영점 편차 전도도 피크를 분석하여 안드레에프 반사 확률과 인터페이스 투명도를 평가하였다.
• 정렬된 자화를 가진 QAH 상태의 전도도 행동을 금속성 영역과 비교하여 토폴로지 서명을 분리하였다.
• 영점 편차에서 전도도 증가를 정량적으로 분석하여 안드레에프 반사 효율을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QAH-Nb 장치에서 관측된 반량자화된 전도도 평탄선이 측면 메이저라 페르미온에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 QAH와 Nb 층 사이의 인터페이스 투명도가 관측된 전도도에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 금속성 QAH 영역에서 날카로운 영점 편차 전도도 증가가 강한 안드레에프 반사를 나타내는가?
• RQ4 QAH 상태에서의 반량자화된 전도도가 비-메이저라 메커니즘, 예를 들어 안드레에프 반사와 일치하는가?
• RQ5 자기 정렬과 게이트 조절된 운반자 농도가 초전도성 비례 효과에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• QAH 필름이 전기 게이팅을 통해 금속성 영역으로 조절되었을 때, 자장이 0인 상태에서 최대 80%까지의 날카로운 영점 편차 전도도 증가가 관측되었으며, 이는 높은 안드레에프 반사 확률을 시사한다.
• 관측된 80%의 영점 편차 전도도 증가는 자기 토폴로지 절연체와 Nb 층 사이의 투명한 인터페이스가 있음을 강력히 시사한다.
• 정렬된 자화를 가진 QAH 상태에서, 게이트 전압에 관계없이 이중단 전도도는 반량자화된 상태를 유지하였으며, 이는 강건한 운반 서명임을 나타낸다.
• 반량자화된 전도도 평탄선은 시스템이 금속성 영역에 있을 때에도 유지되었으며, 이는 그것이 토폴로지 초전도성과 유일하게 연결되어 있지 않음을 시사한다.
• 결과적으로, 관측된 전도도 평탄선은 측면 메이저라 페르미온보다는 안드레에프 반사와 인터페이스 투명도에 의해 더 타당하게 설명될 수 있음을 시사한다.
• 이 연구는 QAH-Nb 장치에서 보고된 측면 메이저라 페르미온에 대한 증거가 비-메이저라 메커니즘의 경쟁으로 인해 유효하지 않을 가능성이 높다고 결론을 내린다.