[논문 리뷰] Parity-preserving and magnetic field resilient superconductivity in indium antimonide nanowires with tin shells

Mihir Pendharkar, B. Zhang외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 11.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial Sn 캡을 가진 InSb 나노와이어에서 600–700 μeV의 딱딱한 초전도 갭과 4 T까지의 자기장 내성과 함께, 위상적 및 트랜스몬 큐비트에 핵심적인 서명인 전하 대칭을 유지하는 2e 충전을 입증한다. 결과는 원자 수소 세척, 냉각된 Sn 증착, 즉각적인 AlOₓ 피막 형성에 기인하며, 완벽한 인터페이스나 단일 사이클 성장이 필요하지 않다.

ABSTRACT

We study bottom-up grown semiconductor indium antimonide nanowires that are coated with shells of tin. The shells are uniform in thickness. The interface between Sn and InSb is abrupt and without interdiffusion. Devices for transport are prepared by in-situ shadowing of nanowires using nearby nanowires as well as flakes, resulting in etch-free junctions. Tin is found to induce a hard superconducting gap in the range 600-700 micro-eV. Superconductivity persists up to 4 T in magnetic field. A tin island exhibits the coveted two-electron charging effect, a hallmark of charge parity stability. The findings open avenues for superconducting and topological quantum circuits based on new superconductor-semiconductor combinations.

연구 동기 및 목표

• 알루미늄의 대안으로 주철을 사용하여 위상 양자 컴퓨팅을 위한 견고한 초전도체-반도체 하이브리드 시스템을 개발하기 위해.
• 에피택셜 또는 결함이 없는 인터페이스가 필요하지 않게 InSb 나노와이어에서 딱딱한 초전도 갭과 높은 자기장 내성을 달성하기 위해.
• Sn 화이트에서 2e 주기적 충전을 입증하여, 장수명 큐비트에 필수적인 전하 대칭 안정성의 상징을 확보하기 위해.
• 비전통적 초전도체-반도체 시스템에서 고정밀도 초전도 결합을 가능하게 하는 핵심 인터페이스 공학 프로토콜을 규명하기 위해.
• Sn/InSb 시스템이 위상적 초전도성과 트랜스몬 및 메이저라나 기반 큐비트를 위한 가능성을 탐색하고, 분해속도 저항성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• InSb (111)B 또는 InP (100) 기반에서 Au 촉매와 선택적 영역 마스크를 사용하여 기체-액체-고체 에피택셜 성장으로 InSb 나노와이어를 성장시켰다.
• H₂ 분위기(5×10⁻⁶ Torr)에서 380 °C에서 원자 수소 세척을 통해 Sn 증착 이전에 천연 InSb 산화막을 제거했다.
• 15 nm 두께의 Sn 캡을 85 K(−188 °C)에서 60° 증착 각도로 증착하여 현장에서 그림자 효과를 활용하고 균일한 커버리지 확보를 달성했다.
• 성장 후 즉각적인 전자빔 증착을 통해 실온에서 3 nm 두께의 AlOₓ 캡핑층을 형성하여 Sn/InSb 인터페이스를 피막화했다.
• 전자빔 리소그래피와 Si/SiO₂ 기반에서 Ti/Au 접촉을 통해 장치를 제작하였으며, 나노와이어 또는 플레이크로부터의 현장 그림자 효과를 이용해 에칭이 없는 접합을 형성했다.
• 열린 냉각기에서 30 mK에서 락인 및 DC 기법을 사용한 전도도 측정을 수행하였으며, 직렬 저항 보정을 적용했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에피택셜 또는 결함이 없는 인터페이스가 필요하지 않게 주철이 InSb 나노와이어에 딱딱한 초전도 갭을 유도할 수 있는가?
• RQ2 Sn/InSb 초전도성은 고자기장에서 얼마나 오래 지속되며, 알루미늄보다 뛰어난 자기장 내성을 보이는가?
• RQ3 Sn 캡은 2e 주기적 충전을 지원하는가? 이는 초전도 화이트에서 전하 대칭 안정성의 핵심 서명이다.
• RQ4 비알루미늄 시스템에서 높은 품질의 초전도 결합을 달성하기 위해 필수적인 인터페이스 준비 프로토콜은 무엇인가?
• RQ5 Sn/InSb 플랫폼은 위상 초전도성과 메이저라나 기반 큐비트를 위한 알루미늄/InSb의 실질적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 15 nm 두께의 Sn 캡이 있는 InSb 나노와이어에서 터널링 분광법으로 확인된 600–700 μeV의 딱딱한 초전도 갭이 유도되었다.
• 자기장에서 초전도성이 4 T까지 지속되어 알루미늄 기반 시스템에 비해 뛰어난 자기장 내성을 입증했다.
• 작은 Sn 화이트에서 명확한 2e 주기적 충전 행동이 관찰되어 전하 대칭 안정성과 장수명 준위자 수명을 확인했다.
• TEM 및 EDS로 Sn-InSb 인터페이스에서 검출 가능한 산화가 없음을 확인했지만, 상호확산은 배제되었다.
• 원자 수소 세척, 85 K에서의 냉각된 Sn 증착, 즉각적인 AlOₓ 피막 형성은 고품질 초전도 결합을 달성하는 데 핵심 요소로 규명되었다.
• 결과적으로, 에피택셜 정렬이나 단일 사이클 성장이 견고한 유도 초전도성에 필수적인 것은 아니며, 양자 회로의 재료 설계 공간을 넓혔다.