[論文レビュー] Bulk and surface states carried supercurrent in ballistic Nb-Dirac semimetal Cd3As2 nanowire-Nb junctions

Caizhen Li, Chuan Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2018

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ボールスティックなNb-Cd3As2ナノワイヤ-Nbジャンクションにおいて、バルク状態および表面状態を介したスーパーキャリントンの輸送を実証した。短いジャンクションではファルビー・ペロの揺動が観測され、表面状態のコherentな輸送を示し、長いジャンクションでは表面状態とバルク状態の相互作用に起因するスーパーキャリントンドームが観測された。結果は、トポロジカル的に保護された表面状態がスーパーキャリントンプロキシミティ効果下でもコherentな状態を保つことを確認し、トポロジカル量子計算におけるマヨラナフェルミオンのバーニングの可能性を前進させた。

ABSTRACT

A three-dimensional Dirac semimetal has bulk Dirac cones in all three momentum directions and Fermi arc-like surface states, and can be converted into a Weyl semimetal by breaking time-reversal symmetry. However, the highly conductive bulk state usually hides the electronic transport from the surface state in Dirac semimetal. Here, we demonstrate the supercurrent carried by bulk and surface states in Nb-Cd3As2 nanowire-Nb short and long junctions, respectively. For the 1 micrometer long junction, the Fabry-Perot interferences induced oscillations of the critical supercurrent are observed, suggesting the ballistic transport of the surface states carried supercurrent, where the bulk states are decoherent and the topologically protected surface states still keep coherent. Moreover, a superconducting dome is observed in the long junction, which is attributed to the enhanced dephasing from the interaction between surface and bulk states as tuning gate voltage to increase the carrier density. The superconductivity of topological semimetal nanowire is promising for braiding of Majorana fermions toward topological quantum computing.

研究の動機と目的

• ディラック半金属Cd3As2ナノワイヤに超伝導体Nb電極を接続した際のスーパーキャリントン輸送を調査すること。
• ボールスティックナノワイヤジャンクションにおけるバルク状態と表面状態の寄与を解明すること。
• スーパーキャリントンプロキシミティ効果下でのトポロジカルに保護された表面状態のコherencyを調べること。
• ゲート電圧によるキャリア密度のチューニングがスーパーキャリントン行動に与える影響を調査すること。
• Cd3As2ナノワイヤがトポロジカル量子計算におけるマヨラナフェルミオンを実現可能とする可能性を評価すること。

提案手法

• 長さ1 μm（短い）およびそれ以上の長さ（長い）のボールスティックなNb-Cd3As2ナノワイヤ-Nbジャンクションの作製。
• 磁場およびゲート電圧の関数としての臨界スーパーキャリントンの測定により、干渉および位相崩壊効果を調査。
• 臨界電流におけるファルビー・ペロ干渉パターンを用いて、表面状態におけるコherentな輸送を同定。
• 静電的ゲーティングを用いてキャリア密度をチューニングし、位相崩壊およびスーパーキャリントンの増幅に与える影響を調査。
• 短いジャンクションと長いジャンクションにおける臨界電流の揺動およびスーパーキャリントンドームの特徴を比較。
• 輸送データの解析により、バルク状態（非コherent）と表面状態（コherent）の寄与を区別。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb-Cd3As2ナノワイヤ-Nbジャンクションにおいて、スーパーキャリントンはバルク状態および表面状態の両方を介して運ばれるか？
• RQ2 スーパーキャリントンプロキシミティ効果下で、トポロジカルに保護された表面状態はコherentか？
• RQ3 ゲート電圧のチューニングが、長いCd3As2ナノワイヤジャンクションにおける位相崩壊および臨界電流に与える影響は何か？
• RQ4 表面-バルク状態相互作用がスーパーキャリントン行動をどのように変化させるか？
• RQ5 臨界電流におけるファルビー・ペロ揺動は、コherentな表面状態輸送に起因するか？

主な発見

• 1 μmのジャンクションにおける臨界電流のファルビー・ペロ揺動は、トポロジカルに保護された表面状態を通じたコherentなボールスティック輸送を確認した。
• バルク状態は位相崩壊を示すが、表面状態は強いバルク伝導性にもかかわらず、コherentな状態を維持する。
• ゲート電圧の増加に伴い、長いジャンクションでスーパーキャリントンドームが観測され、表面-バルク状態相互作用に起因する位相崩壊の増幅が示された。
• 短いジャンクションにおける臨界電流の揺動は、約1 μmの位相コherentな輸送経路に一致しており、ナノワイヤの長さと一致する。
• スーパーキャリントンプロキシミティ効果下でもコherentな表面状態輸送が維持されることから、Cd3As2ナノワイヤがトポロジカル量子計算に応用可能である可能性が裏付けられた。
• 本研究は、バルク状態が伝導性を支配する中でも、ディラック半金属の表面状態がボールスティック状態でスーパーキャリントンを維持できることを示した。