[논문 리뷰] Missing odd-order Shapiro steps do not uniquely indicate fractional Josephson effect

Po Zhang, S.R. Mudi외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 16.

Topological Materials and Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 일반적으로 분수형 조셉슨 효과와 토폴로지적 초전도체의 징후로 언급되는 고체의 홀수계수 쇼파르 스텝의 결여가, 다중 앤드리브 반사, 랜다우-지너 전이, 고품질 조셉슨 접합에서의 자기가열과 같은 비토폴로지적 메커니즘에 의해 발생할 수 있음을 보여준다. 저자들은 이러한 스텝 감소 현상이 마요라나 영모드가 존재하지 않는 조건에서도 발생함을 입증하여, 이 징후가 토폴로지적 초전도체를 식별하는 데 유일한 근거로 여겨지는 것의 타당성을 떨어뜨린다.

ABSTRACT

Topological superconductivity is expected to spur Majorana zero modes -- exotic states that are also considered a quantum technology asset. Fractional Josephson effect is their manifestation in electronic transport measurements, often under microwave irradiation. A fraction of induced resonances, known as Shapiro steps, should vanish, in a pattern that signifies the presence of Majorana modes. Here we report patterns of Shapiro steps expected in topological Josephson junctions, such as the missing first Shapiro step, or several missing odd-order steps. But our junctions, which are InAs quantum wells with Al contacts, are studied near zero magnetic field, meaning that they are not in the topological regime. We also observe other patterns such as missing even steps and several missing steps in a row, not relevant to topological superconductivity. Potentially responsible for our observations is rounding of not fully developed steps superimposed on non-monotonic resistance versus voltage curves, but several origins may be at play. Our results demonstrate that any single pattern, even striking, cannot uniquely identify topological superconductivity, and a multifactor approach is necessary to unambiguously establish this important phenomenon.

연구 동기 및 목표

• 조셉슨 접합에서의 홀수계수 쇼파르 스텝 결여가 분수형 조셉슨 효과와 토폴로지적 초전도체의 존재를 명확히 나타내는가를 조사하기 위해.
• 고품질의 비토폴로지적 접합에서 유사한 스텝 감소 패턴을 유도할 수 있는 비토폴로지적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 다중 앤드리브 반사, 랜다우-지너 전이, 자기가열이 쇼파르 스텝의 가시성에 영향을 주는 방식을 평가하기 위해.
• 실험적 설정에서 홀수 스텝의 결여가 마요라나 영모드의 존재를 확정적으로 나타내는 것으로 간주되는 가정을 도전하기 위해.

제안 방법

• 정밀한 접합 기하학과 인터페이스 품질 제어를 위해 나노와이어 셰이드 마스크 기법을 사용하여 고투과성 알루미늄/인아르세니드 양자우물 조셉슨 접합을 제작하였다.
• 비평형 운반 거동을 탐색하기 위해 주파수, 마이크로파 전력, 자속을 함수로 하는 마이크로파 구동 쇼파르 스텝 측정을 수행하였다.
• 차별 저항( dV/dI ) 트레이스 분석을 통해 저항 피크와 억제되거나 결여된 쇼파르 스텝 간의 상관관계를 규명하였다.
• 비단조성 저항 곡선과 비선형성의 영향을 모델링하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용하여, 특히 저주파수에서의 스텝 가시성에 영향을 미치는 요소를 분석하였다.
• 자기가열의 영향을 평가하기 위해 임계전류를 억제하고 열 히스테리시스를 감소시키기 위해 자속을 적용하였다.
• 랜다우-지너 전이와 분수형 조셉슨 역학의 이론적 예측과 실험적 스텝 패턴을 비교하여 토폴로지적 기원을 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고품질 조셉슨 접합에서 분수형 조셉슨 효과나 토폴로지적 초전도체 없이도 홀수계수 쇼파르 스텝의 결여가 발생할 수 있는가?
• RQ2 다중 앤드리브 반사 피크와 비단조성 저항 곡선이 쇼파르 스텝의 가시성을 얼마나 억제하거나 왜곡시키는가?
• RQ3 비토폴로지적 상황에서 랜다우-지너 전이와 자기가열이 저순위 쇼파르 스텝의 억제에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 동일한 스텝 감소 패턴을 비토폴로지적 메커니즘으로 재현할 수 있는가? 이는 마요라나 영모드의 유일한 징후로서의 사용을 뒤엎는다.
• RQ5 마이크로파 주파수는 저전압 조건에서 쇼파르 스텝의 가시성과 안정성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 고체의 비토폴로지적 알루미늄/인아르세니드 양자우물 조셉슨 접합에서 마이크로파 조명 조건 하에 홀수계수 쇼파르 스텝(최대 i=5까지)이 결여된 것으로 관측되었다.
• 짝수계수 스텝 역시 억제되어, 스텝 손실이 4π 주기성 분수형 조셉슨 행동과만 관련된 것은 아님을 시사한다.
• 다중 앤드리브 반사에 기인한 비단조성 저항 특성—특히 저주파수에서—이 스텝의 가시성을 저하시키는 것으로 밝혀졌다.
• 자기가열 효과로 인해 전자 온도가 상승함에 따라 첫 번째 및 두 번째 쇼파르 스텝이 사라지는 것으로 확인되었으며, 이는 스위칭 전류 근처에서 특히 두드러졌다.
• 랜다우-지너 전이가 분수형 조셉슨 역학을 모방할 수 있는 타당한 메커니즘으로 확인되었지만, 다수의 모드를 가진 넓은 평판형 접합에서의 관련성은 여전히 명확하지 않다.
• 자속 적용으로 인해 임계전류가 감소하고 열 히스테리시스가 억제되어 첫 번째 쇼파르 스텝이 복구되었으며, 이는 자기가열이 스텝 억제에 기여한다는 점을 확인하였다.