[논문 리뷰] Observation of Majorana Fermions in a Nb-InSb Nanowire-Nb Hybrid Quantum Device

M. T. Deng, Chunlin Yu외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 18.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 29인용 수 636

한 줄 요약

이 연구는 Nb-InSb 나노와이어-Nb 하이브리드 양자 장치에서 주변기반 초전도성과 외부 자장에 의한 증발장에 의해 유도된 제로-스핀 장치가 비자명한 위상적 초전도체 상태로 전이되는 것을 실험적으로 관측한 결과를 보고한다. 0.9–2.6 T 범위에서 게이트 전압에 따라 변하는 강력한 제로-바이어스 도전도 플랫폼은 나노와이어 끝부분에 존재하는 마요라나 고립 상태에 대한 강력한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We report on the observation of excitation of Majorana fermions in a Nb-InSb nanowire quantum dot-Nb hybrid system. The InSb nanowire quantum dot is formed between the two Nb contacts by weak Schottky barriers and is thus in the regime of strong couplings to the contacts. Due to the proximity effect, the InSb nanowire segments covered by superconductor Nb contacts turn to superconductors with a superconducting energy gap $Δ^*$. Under an applied magnetic field larger than a critical value for which the Zeeman energy in the InSb nanowire is $E_z\sim Δ^*$, the entire InSb nanowire is found to be in a nontrivial topological superconductor phase, supporting a pair of Majorana fermions, and Cooper pairs can transport between the superconductor Nb contacts via the Majorana fermion states. This transport process will be suppressed when the applied magnetic field becomes larger than a second critical value at which the transition to a trivial topological superconductor phase occurs in the system. This physical scenario has been observed in our experiment. We have found that the measured zero-bias conductance for our hybrid device shows a conductance plateau in a range of the applied magnetic field in quasi-particle Coulomb blockade regions.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 초전도체-반도체 나노와이어 장치를 이용해 고체계에서 마요라나 페르미온을 탐지할 수 있는 확장 가능한 전송 기반 방법을 입증하기 위해.
• 완전히 초전도체로 감싸인 나노와이어에서 자장 침투 및 탐지 문제를 해결하기 위해 두 개의 Nb 접촉을 가진 조지프슨 접합 구성을 사용함으로써.
• 명확한 위상적 초전도체 상태에서 표준 전기적 전송 측정을 통해 마요라나 페르미온을 탐지할 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.
• 통제된 자장과 게이트 전압 조건 하에서 양자화된 제로-바이어스 도전도 플랫폼을 통해 마요라나 고립 상태의 존재를 검증하기 위해.

제안 방법

• 전자선 리소그래피, 스퍼터링 및 라이프오프 공정을 이용해 InAs/InSb 이종구조 나노와이어의 InSb 세그먼트에 80 nm 너비의 Nb 접촉을 정의함으로써 Nb-InSb 나노와이어-Nb 조지프슨 접합 장치를 제작함.
• 자연산화막을 제거하고 Nb와 InSb 간의 강력한 비례 결합을 확보하기 위해 (NH₄)₂Sₓ를 이용한 표면 화학 처리를 시행함.
• 전자 밀도를 조절하고 두 개의 Nb 초전도체 접촉 간의 위상 차이를 제어하기 위해 백게이트 구조를 사용함.
• 3He/4He 냉각기에서 20 mK까지의 저온 전송 측정을 수행하여 미분 도전도와 조지프슨 전류를 탐색함.
• 수직 방향 자장을 적용하여 제로-전하 장치 분열을 유도하고, E_z ≈ Δ* 조건에서 시스템이 위상적 초전도체 상태로 전이되도록 유도함.
• 미분 도전도와 제로-바이어스 피크의 진화를 분석하여 마요라나 페르미온의 특징, 즉 도전도 플랫폼과 갭 억제 현상을 식별함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 전기적 전송 측정을 통해 하이브리드 초전도체-반도체 나노와이어 장치에서 마요라나 페르미온을 실험적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 위상적 초전도체 상태 전이 범위와 일치하는 자장 범위에서 제로-바이어스 도전도 플랫폼이 나타나는가?
• RQ3 도전도 플랫폼은 게이트 전압과 자장에 어떻게 의존하는가? 이는 시스템의 위상적 성질과 위상적 일관성에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 완전히 초전도체로 둘러싸인 접촉에서 메이스너 효과가 존재함에도 불구하고 조지프슨 접합 구조가 마요라나 상태 탐지에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 관측된 도전도 특징는 비자명한 위상적 초전도체 상태에서 자명한 위상적 초전도체 상태로의 전이에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 0.9 T에서 2.6 T 사이의 미분 도전도에서 강력한 제로-바이어스 도전도 플랫폼이 관측되어 마요라나 고립 상태의 존재를 시사한다.
• 플랫폼의 높이가 백게이트 전압에 따라 변동함으로써, 두 Nb 초전도체 접촉 간의 위상 차이에 의존함을 나타낸다.
• 자장이 0일 때, 장치는 조지프슨 초전도 전류와 다중 앤드리에브 반사를 보여주어 InSb 나노와이어에서의 비례 기반 초전도성의 존재를 확인한다.
• 다중 앤드리에브 반사 특징으로부터 Nb의 초전도 갭(Δ_Nb)과 InSb 세그먼트의 초전도 갭(Δ_InSb)을 실험적으로 분리하여 확인하였다.
• 자장이 2.6 T를 초과함에 따라 제로-바이어스 도전도가 급격히 감소하여 자명한 위상적 초전도체 상태로의 전이가 일어남을 나타낸다.
• 초전도 갭의 진화—플랫폼의 끝부분에서 거의 사라졌다가 높은 자장에서 재개됨—이론적 예측과 일치하여 위상적 전이의 특징을 반영한다.