[논문 리뷰] Topological Superconductivity in a Phase-Controlled Josephson Junction

Hechen Ren, Falko Pientka외 10명|RePEc: Research Papers in Economics|2018. 09. 10.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 두께가 얇은 HgTe 양자우물 주사위슨 조인션에서 위상 차이 φ와 평행 자기장 제어를 통해 조절 가능한 위상적 초전도성을 입증한다. 증가하는 자기장에 따라 확장되는 영점 투과도 피크는 위상적 전이의 직접적 증거를 제공하며, 마조르나 준위 상태와 위상적 양자계산을 위한 확장 가능한 플랫폼을 구축한다.

ABSTRACT

Topological superconductors can support localized Majorana states at their boundaries. These quasi-particle excitations have non-Abelian statistics that can be used to encode and manipulate quantum information in a topologically protected manner. While signatures of Majorana bound states have been observed in one-dimensional systems, there is an ongoing effort to find alternative platforms that do not require fine-tuning of parameters and can be easily scalable to large numbers of states. Here we present a novel experimental approach towards a two-dimensional architecture. Using a Josephson junction made of HgTe quantum well coupled to thin-film aluminum, we are able to tune between a trivial and a topological superconducting state by controlling the phase difference $ϕ$ across the junction and applying an in-plane magnetic field. We determine the topological state of the induced superconductor by measuring the tunneling conductance at the edge of the junction. At low magnetic fields, we observe a minimum in the tunneling spectra near zero bias, consistent with a trivial superconductor. However, as the magnetic field increases, the tunneling conductance develops a zero-bias peak which persists over a range of $ϕ$ that expands systematically with increasing magnetic fields. Our observations are consistent with theoretical predictions for this system and with full quantum mechanical numerical simulations performed on model systems with similar dimensions and parameters. Our work establishes this system as a promising platform for realizing topological superconductivity and for creating and manipulating Majorana modes and will therefore open new avenues for probing topological superconducting phases in two-dimensional systems.

연구 동기 및 목표

• 정밀 조정이 필요 없는 매개변수 없이 위상적 초전도성을 실현할 수 있는 확장 가능한 2차원 플랫폼 개발.
• 일차원 마조르나 플랫폼의 한계, 예를 들어 불안정성과 확장성 문제를 극복.
• 위상적 전이를 독립적인 제어 수단인 위상 차이 φ와 평행 자일만 에너지로 제어함.
• 터널 스펙트로스코피를 통해 2차원 시스템에서 마조르나 준위 상태의 실험적 증거 제공.
• 위상적 초전도성에 대한 강건하고 기하학적 민감도가 낮은 접근법을 위상 편향과 스핀 오비트 결합을 통해 확립.

제안 방법

• 박막 알루미늄 초전도체 리드를 갖는 HgTe 양자우물로 평판형 주사위슨 조인션을 제작.
• 조절 가능한 평행 자기장을 적용하여 자일만 에너지 $E_Z$ 를 제어하고 위상적 전이 유도.
• 조인션을 관통하는 위상 편향을 두 번째 독립적 제어 수단으로 사용하여 비위상적 및 위상적 초전도 상태 간 조절.
• 조인션 가장자리에서 터널 도전도 스펙트로스코피를 수행하여 임계 상태를 탐사하고 영점 투과도 피크를 탐지.
• 유사한 치수와 매개변수를 갖는 모델 시스템의 전체 양자역학적 수치 시뮬레이션 수행하여 실험 관측 결과 검증.
• 위상적 전이 경계를 $\phi$-$E_Z$ 공간에 매핑하여 위상적 초전도성 영역이 다이아몬드 형태로 나타남을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 제어와 평행 자기장을 갖는 2차원 주사위슨 조인션을 통해 비위상적 및 위상적 초전도 상태 간 조절이 가능한가?
• RQ2 증가하는 평행 자기장 하에서 영점 투과도 피크가 나타나는 것은 위상적 전이의 신호인가?
• RQ3 정규 반사 및 화학적 위치 에너지, 기하학적 구조 등의 시스템 매개변수에 대해 위상적 전이 경계는 얼마나 강건한가?
• RQ4 관측된 영점 투과도 피크는 마조르나 준위 상태 때문인가, 아니면 위상 전이 근처의 준일차원 임계 상태 때문인가?
• RQ5 위상 편향은 2차원 플랫폼에서 위상 상태에 대해 얼마나 정밀하고 확장 가능한 제어를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 영점 투과도 피크(ZBP)가 증가하는 평행 자기장에 따라 발현되고 확장되며, 위상 차이 $\phi$ 의 광범위한 범위에서 지속된다.
• ZBP는 $B_x \gtrsim 0.5$ T에서 나타나며, $B_x = 1$ T에서 강건하게 유지되어 모든 $\phi$ 값에서 나타나며, 이는 위상적 상태를 나타낸다.
• 편향 전압에 따른 영점 투과도의 곡률은 자기장 증가에 따라 단조롭게 감소하며, 오목에서 볼록으로 전이되며 이론 예측과 일치한다.
• 수치 시뮬레이션은 실험 데이터를 재현하며, ZBP는 국소화된 마조르나 모드가 아니라, 영 에너지 근처에서 강화된 상태 밀도를 갖는 준일차원 임계 밴드에서 기인함을 보여준다.
• 정규 반사에 대해 강건하고, 샘플 기하학적 구조 및 화학적 위치 에너지에 거의 민감하지 않으며, $\phi$-$E_Z$ 공간에서 다이아몬드 형태의 위상적 초전도성 영역 형성.
• 위상 전이 근처에서 영 에너지 근처에 강하게 증가한 상태 밀도를 나타내며, 이는 너비가 초전도 갭을 초월할 경우 ZBP로 나타난다.