[논문 리뷰] Evidence for an anomalous current-phase relation of a dc SQUID with tunable topological junctions

C. Kurter, Y. S. Hor외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 29.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 25인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 조정 가능한 토폴로지적 절연체 주อ슨 접합을 갖는 dc SQUID에서 비정현적 전류-위상 관계에 대한 실험적 증거를 제시한다. SQUID 진동에서 해리된 회절 노드와 단일 접합 패tern에서의 유한한 노드 전류는 저에너지 안드레에프 결속 상태의 존재를 시사하며, 이는 마이오르마나 결속 상태를 포함할 수 있으며, 화학 포텐셜에 영향을 받지 않고도 지속되는 이례적인 초전류 기여를 보인다. 이는 고온에서 사라진다.

ABSTRACT

Josephson junctions with topological insulator weak links can host low energy Andreev bound states giving rise to a current phase relation that deviates from sinusoidal behaviour. Of particular interest are zero energy Majorana bound states that form at a phase difference of $\pi$. Here we report on interferometry studies of Josephson junctions and superconducting quantum interference devices (SQUIDs) incorporating topological insulator weak links. We find that the nodes in single junction diffraction patterns and SQUID oscillations are lifted and independent of chemical potential. At high temperatures, the SQUID oscillations revert to conventional behaviour, ruling out asymmetry. The node lifting of the SQUID oscillations is consistent with low energy Andreev bound states exhibiting a nonsinusoidal current phase relation, coexisting with states possessing a conventional sinusoidal current phase relation. However, the finite nodal currents in the single junction diffraction pattern suggest an anomalous contribution to the supercurrent possibly carried by Majorana bound states, although we also consider the possibility of inhomogeneity.

연구 동기 및 목표

• 토폴로지적 절연체 약한 연결을 포함하는 주오슨 접합에서의 전류-위상 관계를 조사하기 위해.
• 관측된 비정현적 행동의 원인이 토폴로지적 안드레에프 결속 상태인지 물질의 비균일성인지 판단하기 위해.
• SQUID 및 단일 접합의 회절 패턴을 통한 간섭 측정을 통해 마이오르마나 결속 상태의 존재를 탐색하기 위해.
• 화학 포텐셜 조절이 간섭 패턴에서 초전류 및 노드 구조를 조절하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 토폴로지 기여와 전통적인 효과(예: 접합 비대칭성)를 구별하기 위해.

제안 방법

• 토폴로지적 절연체 약한 연결을 가진 주오슨 접합 및 SQUID에서 간섭 측정을 수행하여 전류-위상 관계를 측정하기 위해.
• 다양한 화학 포텐셜에서 단일 접합의 회절 패턴과 SQUID 진동을 측정하기 위해.
• 고온에서의 온도 의존 측정을 수행하여 전통적인 비정현적 행동의 열적 복원을 확인하기 위해.
• 회절 패턴의 노드 구조를 분석하여 표준 주오슨 행동과의 이탈을 탐지하기 위해.
• 안드레에프 결속 상태로 인한 비정현적 전류-위상 관계 이론 모델과 실험 데이터를 비교하기 위해.
• 고온 측정을 제어로 사용하여 접합 비대칭성에 기인한 노드 상승 현상의 가능성을 배제하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 토폴로지적 SQUID에서의 전류-위상 관계가 안드레에프 결속 상태로 인해 전통적인 비정현적 형태로 편차를 보이나?
• RQ2 SQUID 진동에서 관측된 상승한 노드가 화학 포텐셜에 독립적인가? 이는 토폴로지 기원을 시사하는가?
• RQ3 단일 접합의 회절 패턴에서 관측된 유한한 노드 전류는 이례적인 초전류 성분 때문인가?
• RQ4 이상한 행동이 위상 차이 π에서 마이오르마나 결속 상태의 존재와 일관하는가?
• RQ5 고온에서 전통적인 진동으로 복원되는 것은 접합 비대칭성이 노드 상승의 원인일 수 없음을 의미하는가?

주요 결과

• 단일 접합의 회절 패턴과 SQUID 진동에서의 노드가 상승되어 있어 전통적인 비정현적 전류-위상 행동과의 이탈을 나타낸다.
• 상승한 노드가 화학 포텐셜에 영향을 받지 않고 지속되므로, 저에너지 안드레에프 결속 상태의 강건한 기여를 시사한다.
• 고온에서 SQUID 진동은 전통적인 비정현적 형태로 복원되며, 이는 노드 상승의 원인이 접합 비대칭성임을 배제한다.
• 단일 접합의 회절 패턴에서의 유한한 노드 전류는 이례적인 초전류 기여를 시사하며, 이는 마이오르마나 결속 상태에서 기인할 수 있다.
• 비정현적 및 전통적 전류-위상 관계의 공존은 다수의 안드레에프 결속 상태 채널 존재와 일관된다.
• 데이터는 마이오르마나 결속 상태의 존재를 확정적으로 확인하지 못하지만, 그 존재와의 일관성을 유지하며 비균일성 기여 가능성도 허용한다.