[논문 리뷰] Bulk and surface states carried supercurrent in ballistic Nb-Dirac semimetal Cd3As2 nanowire-Nb junctions

Caizhen Li, Chuan Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 29.

Surface and Thin Film Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 비틀림이 없는 Nb-Cd3As2 나노와이어-Nb 접합에서 표면 상태와 겉면 상태를 통한 초전류 운반을 입증한다. 짧은 접합에서의 Fabry-Perot 진동은 일관된 표면 상태 운반을 나타내며, 긴 접합에서의 초전도 도메인은 표면-겉면 상태 상호작용으로 인한 것이다. 결과는 위상적으로 보호된 표면 상태가 초전도 인접 효과 하에서도 일관성을 유지함을 확인하며, 위상적 양자 컴퓨팅에서 마요라나 페르미온의 끈적임을 위한 전망을 향상시킨다.

ABSTRACT

A three-dimensional Dirac semimetal has bulk Dirac cones in all three momentum directions and Fermi arc-like surface states, and can be converted into a Weyl semimetal by breaking time-reversal symmetry. However, the highly conductive bulk state usually hides the electronic transport from the surface state in Dirac semimetal. Here, we demonstrate the supercurrent carried by bulk and surface states in Nb-Cd3As2 nanowire-Nb short and long junctions, respectively. For the 1 micrometer long junction, the Fabry-Perot interferences induced oscillations of the critical supercurrent are observed, suggesting the ballistic transport of the surface states carried supercurrent, where the bulk states are decoherent and the topologically protected surface states still keep coherent. Moreover, a superconducting dome is observed in the long junction, which is attributed to the enhanced dephasing from the interaction between surface and bulk states as tuning gate voltage to increase the carrier density. The superconductivity of topological semimetal nanowire is promising for braiding of Majorana fermions toward topological quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 초전도성 Nb 전극에 연결된 디락 반금속 Cd3As2 나노와이어에서 초전류 운반을 조사한다.
• 비틀림이 없는 나노와이어 접합에서 겉면 상태와 표면 상태의 기여를 분리한다.
• 초전도 인접 효과 하에서 위상적으로 보호된 표면 상태의 일관성을 조사한다.
• 게이트 전압을 통한 캐리어 농도 조절이 초전류 행동에 미치는 영향을 탐색한다.
• Cd3As2 나노와이어가 위상적 양자 컴퓨팅에서 마요라나 페르미온을 수용할 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• 1 μm(짧은) 및 더 긴(긴) 접합을 가진 비틀림이 없는 Nb-Cd3As2 나노와이어-Nb 접합의 제작.
• 자기장과 게이트 전압에 따른 임계 초전류 측정을 통해 간섭 및 탈위상 효과를 조사한다.
• 임계 초전류에서의 Fabry-Perot 간섭 무늬를 사용하여 표면 상태에서의 일관된 운반을 식별한다.
• 전기적 게이팅을 적용하여 캐리어 농도를 조절하고 탈위상 및 초전류 증가에 미치는 영향을 연구한다.
• 짧은 접합과 긴 접합 간의 임계 초전류 진동 및 초전도 도메인 특징을 비교한다.
• 운반 데이터 분석을 통해 겉면 상태(탈위상)와 표면 상태(일관)의 기여를 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb-Cd3As2 나노와이어-Nb 접합에서 초전류가 겉면 상태와 표면 상태를 모두 통해 운반될 수 있는가?
• RQ2 위상적으로 보호된 표면 상태는 초전도 인접 효과에서 일관성을 유지하는가?
• RQ3 게이트 전압 조절이 긴 Cd3As2 나노와이어 접합에서 탈위상과 임계 초전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표면-겉면 상태 상호작용은 초전류 행동을 어떻게 수정하는가?
• RQ5 임계 초전류에서의 Fabry-Perot 진동은 일관된 표면 상태 운반에 기인하는가?

주요 결과

• 1 μm 접합의 임계 초전류에서의 Fabry-Perot 진동은 위상적으로 보호된 표면 상태를 통한 일관된 비틀림 운반을 확인한다.
• 겉면 상태는 탈위상성을 보이며, 강한 겉면 도핑 조건에서도 표면 상태는 일관성을 유지한다.
• 게이트 전압이 증가함에 따라 긴 접합에서 초전도 도메인이 관찰되며, 이는 표면-겉면 상태 상호작용으로 인한 강화된 탈위상 효과를 나타낸다.
• 짧은 접합에서의 임계 초전류 진동은 약 1 μm의 위상 일관성 운반 경로와 일치하며, 나노와이어 길이와 일치한다.
• 초전도 인접 효과 하에서도 일관된 표면 상태 운반의 지속성은 Cd3As2 나노와이어를 위상적 양자 컴퓨팅에 활용할 수 있음을 뒷받침한다.
• 결과는 디락 반금속에서 표면 상태가 겉면 상태가 도핑을 지배하는 조건에서도 비틀림 영역에서 초전류를 유지할 수 있음을 보여준다.