[논문 리뷰] Protocol to identify a topological superconducting phase in a three-terminal device

Dmitry I. Pikulin, Bernard van Heck외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 22.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 104인용 수 31

한 줄 요약

논문은 Topological Gap Protocol (TGP)를 제시합니다. 이는 Majorana 제로 모드를 호스팅하는 위상을 가진 토폴로지 초전도상상을 식별하고 검증하기 위해 삼단 말단 장치에서 로컬 전도 기반의 2단계 자동 절차를 통해 국소 ZBP 검출과 비로컬 간극 닫힘/재개장을 결합합니다. 데이터 분석의 체계화를 통해 위상 비일치와 무질서 효과로 인한 거짓 양성을 강력하게 구분하는 데 중점을 둡니다.

ABSTRACT

We develop a protocol to determine the presence and extent of a topological phase with Majorana zero modes in a hybrid superconductor-semiconductor device. The protocol is based on conductance measurements in a three-terminal device with two normal leads and one superconducting lead. A radio-frequency technique acts as a proxy for the measurement of local conductance, allowing a rapid, systematic scan of the large experimental phase space of the device. Majorana zero modes cause zero bias conductance peaks at each end of the wire, so we identify promising regions of the phase space by filtering for this condition. To validate the presence of a topological phase, a subsequent measurement of the non-local conductance in these regions is used to detect a topological transition via the closing and reopening of the bulk energy gap. We define data analysis routines that allow for an automated and unbiased execution of the protocol. Our protocol is designed to screen out false positives, especially trivial Andreev bound states that mimic Majorana zero modes in local conductance. We apply the protocol to several examples of simulated data illustrating the detection of topological phases and the screening of false positives.

연구 동기 및 목표

• 삼단 말단 장치에서 Majorana 기반 위상과정을 식별하기 위한 구체적 실험 프로토콜을 개발한다.
• 빠른 로컬 전도 측정과 느린 비로컬 전도 측정을 결합하여 벌크 간극의 닫힘 및 재개장을 찾는다.
• 거짓 양성으로부터의 자동화된 데이터 분석으로 일반적인 ABS(비정상 반사 상태)로 인한 오탐을 필터링한다.
• 지표로써 상관된 ZBP 존재와 벌크 간극 전이가 위상성의 증거임을 제시하는 견고한 방법을 제안한다.

제안 방법

• 삼단 말단 장치의 전체 전도 행렬(로컬 및 비로컬)을 측정한다.
• 로컬 전도에서 양 끝 단에서 상관된 제로 바이어스 피크(ZBP)를 식별한다.
• 비로컬 전도 정보를 사용하여 벌크 간극의 닫힘과 재개장을 감지하고 이를 토대로 위상 전이 신호를 포착한다.
• 위상 영역을 결정하고 위상 간격을 정량화하기 위해 데이터 분석을 자동화한다.
• 마요르나 서명을 일반 ABS 및 무질서 효과와 구별하기 위해 시뮬레이션 및 테스트 디바이스 데이터로 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양 끝에서의 상관된 제로 바이어스 피크와 비 локальной로 관측된 벌크 간극의 닫힘 및 재개장이 함께 있을 때, 토폴로지 초전도상 위상을 강하게 나타내는가?
• RQ2 전체 전도 행렬 스캔이 Majorana로 인한 신호를 일반적인 Andreev 바인드 상태 및 무질서와 얼마나 효과적으로 구분하는가?
• RQ3 삼단 말단 디바이스에서 위상 경계를 정의하는 매개변수 영역(게이트 전압, 자기장)은 무엇인가?
• RQ4 ZBP가 나타나는 경계 영역의 어느 비가 간극 없이 남아 있는가, 그리고 이것이 위상 식별에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 로컬 ZBP 스크리닝과 비로컬 간극 닫힘/재개장을 결합한 2단계 프로토콜이 위상 위상을 나타낼 수 있다.
• 비로컬 전도 측정은 벌크 간극의 닫힘을 신호로써 위상 전이 선을 추적하여 로컬 ZBP 관찰을 보완한다.
• 자동화된 데이터 분석은 일반 ABS 및 무질서로 인한 거짓 양성을 줄이면서 전형적인 위상 영역을 식별한다.
• 프로토콜은 위상 위상의 탐지와 거짓 양성 차단을 보여주는 예시적 시뮬레이션 데이터 세트에서 입증된다.
• 무질서와 부드러운 포텐셜 변화는 프로토콜이 걸러내려는 quasi-Majorana 유사 특징을 만들어낼 수 있다.