[논문 리뷰] Signatures of a topological phase transition in a planar Josephson junction

A. Banerjee, O. Lesser외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial InAs/Al 헤테로구조를 기반으로 한 평판형 조지프슨 결합에서 이중 양자점 접합(QPC)을 이용해 결합의 양단을 탐측함으로써 위상적 상전이의 징후를 입증한다. 초전도 갭의 닫힘과 재개와 함께 갭 재개 시 안정적인 영bias 도전도 피크(ZBCP)가 관측되며, 이는 위상적 상전이에 대한 강력한 증거를 제공한다. 일관된 행동이 제어된 평면 내 자기장과 게이트 전압 조절 조건에서 양단에서 모두 관찰된다.

ABSTRACT

A growing body of work suggests that planar Josephson junctions fabricated using superconducting hybrid materials provide a highly controllable route toward one-dimensional topological superconductivity. Among the experimental controls are in-plane magnetic field, phase difference across the junction, and carrier density set by electrostatic gate voltages. Here, we investigate planar Josephson junctions with an improved design based on an epitaxial InAs/Al heterostructure, embedded in a superconducting loop, probed with integrated quantum point contacts (QPCs) at both ends of the junction. For particular ranges of in-plane field and gate voltages, a closing and reopening of the superconducting gap is observed, along with a zero-bias conductance peak (ZBCP) that appears upon reopening of the gap. Consistency with a simple theoretical model supports the interpretation of a topological phase transition. While gap closings and reopenings generally occurred together at the two ends of the junction, the height, shape, and even presence of ZBCPs typically differed between the ends, presumably due to disorder and variation of couplings to local probes.

연구 동기 및 목표

• 제어 가능한 매개변수를 갖춘 플랫폼을 이용해 평판형 조지프슨 결합에서 위상적 상전이를 실험적으로 탐지하고 특성화하는 것.
• 평면 내 자기장, 위상 차이, 게이트 전압 간의 상호작용이 위상적 초전도성 유도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 통합된 양자점 접합(QPC)을 이용해 결합의 양단을 동시에 탐측함으로써 감도 향상과 일관성 확보.
• 특히 갭 닫힘/재개와 ZBCP 형성과 같은 실험적 징후를 확립하여 위상적 상전이와의 일관성을 입증하는 것.
• 불순물과 탐측 기구 결합의 변화가 마요라나 영모드의 공간 분포 및 안정성에 미치는 영향 평가

제안 방법

• 외부 플럭스를 통한 위상 바이어스를 위한 초전도 링을 갖춘 에pitaxial InAs/Al 헤테로구조를 이용한 평판형 조지프슨 결합의 제작.
• 독립적인 게이트 제어를 갖춘 양단에 양자점 접합(QPC)을 통합하여 국소적 터널링 분광법 수행.
• 시스템을 위상적 및 비위상적 상으로 이동시키기 위해 평면 내 자기장(B∥)과 전기적 게이트 전압(V1)을 적용.
• 두 양단에서 동시 미분 도전도(dI/dV) 측정을 통해 갭의 진화와 ZBCP 형성 탐지.
• 영bias에서 제3차 조화 전류 검출(I3ω)을 통해 ZBCP 존재를 확인하며, 양의 신호는 임계 이하 상태를 나타낸다.
• 두 번째 장치에서의 홀 바 측정을 통해 전자 이동도와 평균 자유 경로를 추출하여, 위상 연구에 적합한 고품질의 2차원 전자 기수의 품질을 뒷받침한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 탐측 터널링 분광법을 통해 평판형 조지프슨 결합에서 위상적 상전이를 실험적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 평면 내 자기장과 게이트 전압의 함수로서 초전도 갭과 영bias 도전도 피크는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 두 결합 끝에서의 갭 닫힘/재개 및 ZBCP 형성 징후 간 상관관계는 어느 정도인가?
• RQ4 불순물과 QPC 탐측 기구에 대한 비대칭적 결합은 관측된 ZBCP의 높이, 형태, 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 제3차 조화 전류 측정은 마요라나 영모드에 대한 강인하고 배경에 민감하지 않은 징후를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• B∥ ≈ 0.45 T에서 결합의 양단에서 초전도 갭의 닫힘과 재개가 관측되었으며, 갭은 동시에 결합 전체에서 닫혔다.
• B∥ = 0.3 T에서 갭 재개 시 두 양단에 안정적인 영bias 도전도 피크(ZBCP)가 나타났으며, 다양한 위상 바이어스 범위에서 지속되었다.
• B∥ = 0.3 T에서 두 양단에서 ZBCP가 관측되었고, 양의 제3차 조화 전류 신호가 확인되어, 마요라나 영모드에 일치하는 강인한 임계 이하 상태임을 나타냈다.
• 양의 제3차 조화 신호를 유도하는 게이트 전압 영역 비율은 상단에서 PZ,T ≈ 11%, 하단에서 PZ,B ≈ 13%로, 비균일하지만 측정 가능한 ZBCP 형성 정도를 나타냈다.
• 하단 끝에서 ZBCP는 갭 재개 후에만 나타났으며, 이는 그 쪽에서 위상적 상태의 형성이 지연되었음을 시사하며, 국소적 불순물 또는 결합 변화의 영향일 가능성이 높다.
• 홀 측정 결과 전자 이동도 μe ≈ 1.5 × 10⁴ cm²/V·s와 평균 자유 경로 le ≈ 100 nm를 확보하여, 위상 연구에 적합한 고품질의 2차원 전자 기수임을 입증했다.