[논문 리뷰] Anomalous Josephson effect in semiconducting nanowires as a signature of the topologically nontrivial phase

Konstantin Nesterov, Manuel Houzet외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 36인용 수 63

한 줄 요약

이 논문은 라쉬바 스핀오비트 결합과 증강자장이 있는 반도체 나노와이어에서 위상적으로 비자명한 상의 강력한 서명으로 비정상적인 조지프슨 효과(영위상차에서 비영초위상전류)를 제안한다. 보골리우보프-데 게인스 모델을 사용하여 짧은 절연체 접합에서 초전도체 영역이 위상적 비자명한 상으로 조정될 경우 비정상 전류가 임계 전류와 비교 가능해짐을 보여주며, 마조르나 제로 모드를 위한 명확한 실험적 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We study Josephson junctions made of semiconducting nanowires with Rashba spin-orbit coupling, where superconducting correlations are induced by the proximity effect. In the presence of a suitably directed magnetic field, the system displays the anomalous Josephson effect: a nonzero supercurrent in the absence of a phase bias between two superconductors. We show that this anomalous current can be increased significantly by tuning the nanowire into the helical regime. In particular, in a short junction, a large anomalous current is a signature for topologically nontrivial superconductivity in the nanowire.

연구 동기 및 목표

• 라쉬바 스핀오비트 결합이 있는 반도체 나노와이어에서 위상적으로 비자명한 상을 식별하기 위한 측정 가능한 실험적 서명을 찾는 것.
• 비정상 조지프슨 효과(영위상차에서 비영초위상전류)가 위상적 초전도성과 비자명한 상을 구별할 수 있는가를 조사하는 것.
• 짧은 조지프슨 접합에서 비정상 전류의 크기가 증강자장과 위상적 전이에 어떻게 의존하는지 규명하는 것.
• 접합의 정상 영역에서 전자기적 장벽이 존재할 경우 비정상 전류의 강건성 평가.

제안 방법

• 라쉬바 스핀오비트 결합, 증강자장, 그리고 인접한 초전도성 유도를 고려한 나노와이어에 대한 보골리우보프-데 게인스(Hamiltonian) 수립.
• 타이트버링 근사를 사용하여 봉제된 BdG 해밀토니안을 수치적으로 대각화하고, 초전도체 위상에 대한 에너지 스펙트럼의 도함수를 통해 초전류 계산.
• 전류-위상관계 분석 및 연속 상태와 임계상태 안데레프 고립 상태의 기여 분해.
• 작은 증강자장 방향(|hz| ≪ ∆)에서의 섭동 이론을 적용하여 비정상 전류에 대한 해석적 표현 유도.
• 정상 장벽을 접합에 도입하여 비정상 전류가 불순물이나 터널 장벽에 대해 얼마나 강건한지 시험.
• 유한한 자기장 방향(θ)으로 확장하여 위상 전이의 전체 위상 공간 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정상 조지프슨 전류는 반도체 나노와이어에서 위상적으로 비자명한 상을 신뢰할 수 있는 실험적 지표로 사용될 수 있는가?
• RQ2 짧은 접합에서 비정상 전류의 크기는 증강자장 강도와 초전도성 쌍화에 어떻게 비례하는가?
• RQ3 초전도체 리드와 정상 영역 중 어느 것이 비정상 조지프슨 효과에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ4 접합의 중심 영역에 정상 장벽이 존재할 경우 비정상 전류는 강건한가?
• RQ5 시스템이 위상적 상으로 조정될 때 짧은 접합에서 전류-위상관계는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 짧은 조지프슨 접합에서, 초전도체 영역이 위상적으로 비자명한 상에 있을 경우 비정상 전류의 크기가 임계 전류와 비교 가능해진다.
• 비정상 전류의 주요 기여는 증강자장이 전체 시스템에 작용할 경우 특히 초전도체 리드에서 기인한다.
• 작은 증강자장에서 비정상 전류는 hz/Δ에 선형적으로 비례하며, 경쟁 성분의 억제로 인해 위상적 영역에서 크게 증폭된다.
• 접합 중심 영역에 정상 장벽을 도입하더라도 비정상 전류는 강건하게 유지되며, 약한 불순물에 대한 저항성을 보여준다.
• 짧은 접합에서의 전류-위상관계는 위상차에 대해 선형적 의존성을 보이며, ϕ = 0에서 비영단일절편을 가지며 비정상 전류임을 확인한다.
• |hz| ≪ Δ 조건에서의 해석적 섭동 처리는 비정상 전류가 라쉬바 스핀오비트 결합과 증강자장 사이의 전자기적 결합에 의해 유도되며, 위상적 영역에서 강력한 증폭이 일어남을 확인한다.