[논문 리뷰] Large zero bias peaks and dips in a four-terminal thin InAs-Al nanowire device

Huading Song, Zitong Zhang외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 17.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 네단자 얇은 InAs-Al 나노와이어 장치에서 큰 무저항 피크(Zero-Bias Peaks, ZBPs)와 무저항 곡절(Dips, ZBDs)를 보고하며, 게이트 및 자기장 조절 조건에서 전도도가 $2e^2/h$ 근처로 양자화됨을 확인한다. 접촉 저항을 제거하기 위해 네단자 구조를 사용함으로써, 전도도가 양자화된 값 근처에서 안정적으로 유지되는 동안 ZBPs와 ZBDs 간의 부드러운 전이가 관찰되며, 이는 비위상적 상태에서 불순물과 부드러운 포텐셜 변화의 영향을 받는 가능성이 있는 준-메이저나 제로모드를 시사한다.

ABSTRACT

We report electron transport studies of a thin InAs-Al hybrid semiconductor-superconductor nanowire device using a four-terminal design. Compared to previous works, thinner InAs nanowire (diameter less than 40 nm) is expected to reach fewer sub-band regime. The four-terminal device design excludes electrode contact resistance, an unknown value which has inevitably affected previously reported device conductance. Using tunneling spectroscopy, we find large zero-bias peaks (ZBPs) in differential conductance on the order of $2e^2/h$. Investigating the ZBP evolution by sweeping various gate voltages and magnetic field, we find a transition between a zero-bias peak and a zero-bias dip while the zero-bias conductance sticks close to $2e^2/h$. We discuss a topologically trivial interpretation involving disorder, smooth potential variation and quasi-Majorana zero modes.

연구 동기 및 목표

• 메이저나 제로모드(MZM) 탐지에서 알 수 없는 접촉 저항의 체계적 오차를 제거하기 위해 네단자 장치 설계를 사용함으로써.
• 얇은 InAs-Al 나노와이어에서 전도도가 $2e^2/h$ 근처에 있는 큰 무저항 피크(ZBPs)의 기원을 조사함.
• 무저항 피크와 곡절 간의 전이가 전도도가 양자화된 값 근처에 유지되는 조건에서 어떻게 일어나는지 탐색함.
• 비위상적 상태에서 불순물과 부드러운 포텐셜 변화가 양자화된 ZBPs를 생성하는 데 미치는 영향을 평가함.
• 향후 하이브리드 나노와이어 장치에서 더 양자화되고 평탄한 전도도 플랫폼을 달성하기 위한 기반을 제공함.

제안 방법

• 소스 및 드레인 접촉을 분리하기 위해 네단자 장치 기하구조를 사용함으로써 전극 접촉 저항의 불확실성을 제거함.
• 터널링 스펙트로스코피를 사용하여 게이트 전압($V_{TG}$, $V_{BG}$) 및 자기장($B$)에 대한 미분 전도도($dI/dV$)를 측정함.
• 게이트 및 자기장 매개변수에 따른 무저항 전도도 맵을 측정하여 ZBP 및 ZBD 특징을 식별함.
• 게이트 스위프 데이터를 분석하여 $2e^2/h$ 근처에서 평탄한 플랫폼 유사 행동을 확인함. 이는 평균 및 표준편차를 포함함.
• 플랫폼 유사 ZBPs를 고립하고 해상도를 높이기 위해 정밀하게 조절된 게이트 경로($V_{BG}$ 및 $V_{TG}$)를 적용함.
• dI/dV 선단면도를 사용하여 무저항 곡절 및 전도도에서 작은 준주기적 진동의 존재를 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네단자 얇은 InAs-Al 나노와이어 장치에서 전도도가 $2e^2/h$ 근처에 있는 큰 무저항 피크(ZBPs)를 안정적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ2 자기장 및 게이트 조절 조건에서 무저항 피크와 곡절 간의 전이가 일어나는 동안 전도도가 $2e^2/h$ 근처로 양자화되어 유지되는가?
• RQ3 비위상적 시스템에서 불순물과 부드러운 포텐셜 변화가 메이저나 제로모드를 닮은 양자화된 ZBPs를 얼마나 잘 생성할 수 있는가?
• RQ4 다양한 게이트 및 자기장 설정에서 관측된 ZBP 및 ZBD 특징는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 편압-게이트 스캔에서 관측된 작은 준주기적 진동 및 다이아몬드 형태의 특징의 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 장치는 네단자 구성에서 터널링 스펙트로스코피를 통해 확인된 바, 전도도가 $2e^2/h$에 도달하는 큰 무저항 피크(ZBPs)를 나타냄.
• 자기장 조절 조건에서 무저항 피크와 곡절 간의 부드러운 전이가 관찰되었으며, 무저항 전도도가 $2e^2/h$ 근처에 유지됨.
• 0.85 T에서 -3.323 V에서 -2.963 V의 게이트 범위 동안 무저항 전도도가 $1.05 \pm 0.06$ 단위로 $2e^2/h$ 근처에 유지되어 플랫폼 유사 특징을 나타냄.
• 다른 데이터 세트에서 뚜렷한 전하 이격이 관찰되었음에도 불구하고, 정밀한 게이트 스위프를 통해 $1.05 \pm 0.06$ 단위로 $2e^2/h$ 근처의 '플랫폼 유사' 영역이 해상도 있게 확인됨.
• dI/dV 선단면도에서 약 0.2 mV 이하의 다이아몬드 형태의 작은 준주기적 진동이 관측되었으며, 이는 짧은 나노와이어 양자점에서의 쿨롱 차폐와 관련이 있을 수 있음.
• 데이터는 불순물과 부드러운 포텐셜 변화에 의해 유도된 준-메이저나 제로모드가 비위상적 상태에서 양자화된 ZBPs를 생성할 수 있음을 시사함.