[논문 리뷰] Proximity-induced superconductivity generated by thin films: Effects of Fermi surface mismatch and disorder in the superconductor

Tudor D. Stanescu, S. Das Sarma|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 27.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 61인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 투명한 초전도체(스퍼터링) 필름의 무질서가 반도체(반도체) 시스템에서 유도된 초전도성에 미치는 영향을 3차원 미시적 모델과 재귀적 그린 함수 방법을 사용하여 조사한다. 연구 결과, 초전도체 무질서는 유도된 쌍성화를 강화하고 그 두께 의존성을 억제하지만, 同시에 반도체에 효과적인 무질서를 유도하여 토폴로지적 초전도성과 마요라나 모드에 결정적인 영향을 미친다.

ABSTRACT

We investigate the effects of disorder characterising a superconducting thin film on the proximity-induced superconductivity generated by the film (in, e.g., a semiconductor) based on the exact numerical analysis of a three-dimensional microscopic model. To make the problem numerically tractable, we use a recursive Green's function method in combination with a patching approach that exploits the short-range nature of the interface Green's function in the presence of disorder. As a result of the Fermi surface mismatch between the superconductor (SC) and the semiconductor (SM) in combination with the confinement-induced quantization of the transverse SC modes, the proximity effect induced by a clean SC film is typically one to three orders of magnitude smaller that the corresponding quantity for a bulk SC and exhibits huge thickness-dependent variations. The presence of disorder has competing effects: on the one hand it enhances the proximity-induced superconductivity and suppresses its strong thickness dependence, on the other hand it generates proximity-induced effective disorder in the SM. The effect of proximity-induced disorder on the topological superconducting phase and the associated Majorana modes is studied nonperturbatively.

연구 동기 및 목표

• 박막 초전도체 필름 내 무질서가 인접한 반도체에서 유도된 초전도성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 일반적으로 반도체 무질서보다 훨씬 강한 초전도체 표면 무질서를 포함한 강한 무질서의 역할을 오랫동안 간과해온 문제를 다루는 것.
• 초전도체 무질서가 얇은 필름에서의 에너지 수준 불일치와 유한한 크기 양자화와 어떻게 경쟁하는지 조사하는 것.
• 유도된 무질서의 비파erturbative 분석을 통해 토폴로지적 초전도성과 마요라나 제로 모드에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 하이브리드 초전도체-반도체 시스템에서 에너지 수준 불일치, 필름 두께, 초전도체 무질서 간의 상호작용을 정량적이고 수치적으로 정확하게 분석하는 것.

제안 방법

• 실제 파arameters를 반영한 3차원 미시적 모델을 사용하여 초전도체-반도체 하이브리드 시스템을 기술한다.
• 키타예브 유형 해밀토니안을 수치적으로 해결하기 위해 재귀적 그린 함수 방법을 적용한다.
• 무질서 시스템에서 표면 그린 함수의 국소적 성질을 활용하여 문제의 계산 가능성을 확보하는 '패치링 접근법'을 사용한다.
• 유한 두께 시스템으로서의 초전도체 필름을 고려하여 횡방향 양자화 효과를 반영한다.
• 에너지 척도 10–100 meV의 무작위 잠재력으로 초전도체의 무질서를 모델링하며, 이는 유도된 반도체 갭(~0.1 meV)보다 훨씬 크다.
• 유도된 초전도 갭과 안드레에프 결합 상태의 발생을 비파erturbative 방식으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박막 초전도체 필름의 무질서가 반도체에서 유도된 초전도성의 강도와 두께 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 청정 초전도체에 비해 초전도체 무질서가 유도 효과를 얼마나 강화하거나 억제하는가?
• RQ3 청정 시스템에서 에너지 수준 불일치와 유한한 크기 양자화의 조합이 초전도 효과에 어떤 한계를 둔다는가?
• RQ4 유도된 초전도체 무질서가 토폴로지적 초전도성과 마요라나 제로 모드의 안정성에 비파erturbative로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 반도체 인터페이스가 청정한 상태임에도 불구하고 강한 초전도체 무질서가 실험적으로 관측된 소프트 갭을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 초전도체 필름의 무질서는 청정 상태에 비해 유도된 초전도 갭을 최대 1~2개 온도만큼 증가시킨다.
• 초전도체 무질서는 두께 변화에 따라 수십 배에서 수백 배로 변하는 청정 필름에서의 강한 두께 의존성을 억제한다.
• 초전도체(E_F ~ 10 eV)와 반도체(E_F ~ 10–100 meV) 간의 에너지 수준 불일치와 얇은 필름에서의 횡방향 양자화 효과는 청정 시스템에서 유도 효과를 심각하게 억제한다.
• 초전도체 무질서에 의해 유도된 반도체 내의 무질서는 토폴로지적 초전도성을 불안정하게 만들고 마요라나 제로 모드의 특징을 가림으로써 영향을 미친다.
• 초전도체 무질서가 존재하는 동안 유도 갭은 소프트한 상태를 유지하며, 실험적으로 관측된 임계 상태와 제로-바이어스 도전도 피크와 일치한다.
• 비파erturbative 분석 결과, 초전도체 무질서는 쌍성화를 강화하지만 동시에 반도체에 효과적인 무질서를 도입하여 토폴로지적 보호와 경쟁함으로써 강력한 마요라나 모드 실현 가능성을 제한한다.