[논문 리뷰] Concomitant opening of a topological bulk-gap with an emerging Majorana edge-state

Anna Grivnin, Ella Bor외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 17.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 35인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 InAs 나노와이어의 가장자리에서 관측된 양자화된 0 전압 전도도 피크(ZBCP)가 주목적적인 Majorana 0 모드를 나타내는 것이며, 화학적 위치와 제이만 필드를 조절함으로써 양자화된 상전이의 열린 밴드 갭이 동시에 열릴 때 발생함을 보여준다. 가장자리와 겉면에서 동시에 터널 측정을 수행함으로써, 저자들은 진정된 Majorana 상태가 밴드 갭이 열릴 때만 나타나며, Andreev 유도 상태나 가장자리 불순물로 인한 가짜 신호와의 차이를 확립한다.

ABSTRACT

Majorana 'zero-modes' are expected to be immune to decoherence. The primary method for their characterization in a 1D topological superconductor, is measuring the tunneling current into the edge of the superconductor. Presently, the hallmark of a localized Majorana edge-state is an emergent quantized zero-bias conductance peak (ZBCP). However, such a conductance peak can also result from other mechanisms; e.g., crossing (and sticking) of two branches of a standard Andreev bound state, or a soft potential at the edge of the superconductor. Since the emergence of a 'Majorana-ZBCP' must be accompanied by an opening of a topological gap in the bulk, we performed two simultaneous tunneling measurements: one in the bulk and another at the edge of the 1D superconductor. Measurements were performed with an InAs nanowire in-situ coated with epitaxial aluminum. For particular gate-tuning of the chemical potential in the wire and a Zeeman field parallel to the wire, we observed a closing of the superconducting bulk-gap followed by its reopening concomitant with the appearance of a ZBCP at the edge. We note that a ZBCP could also be observed with different tuning parameters without an observed reopening of the bulk-gap. This demonstrates the importance of simultaneous probing of the bulk and edge when searching for a Majorana edge-state.

연구 동기 및 목표

• 1D 상전이 초전도체에서 진정된 Majorana 0 모드와 가짜 양성자를 구별하기 위해.
• 0 전압 전도도 피크(ZBCP)를 통한 Majorana 상태 식별의 모호함을 해결하기 위해, 이는 비상전이 메커니즘에 의해 유도될 수 있음.
• 가장자리 ZBCP와 겉면 상전이 갭 열림을 연계함으로써 Majorana 탐지에 더 강력한 기준을 설정하기 위해.
• 동시 겉면 갭 열림이 나노와이어 기반 시스템에서 상전이 단계 전이의 필수적 특징임을 검증하기 위해.

제안 방법

• In-situ 에pitaxial 알루미늄 초전도체를 갖춘 InAs 나노와이어의 가장자리와 겉면에서 동시에 터널 측정을 수행하였다.
• 게이트 전압을 사용하여 화학적 위치를 조절하고, 나노와이어에 평행한 제이만 필드를 적용하여 시스템을 상전이 단계로 이끌었다.
• 겉면의 초전도 갭 변화와 가장자리에서의 0 전압 전도도 피크(ZBCP)의 출현을 모니터링하였다.
• 조절 중에 갭이 닫힌 후 재개될 때 가장자리 ZBCP의 출현과 겉면 갭의 재개를 연계하였다.
• 이중 프로브 기하학을 사용하여 가장자리 및 겉면 반응을 분리함으로써 교란을 최소화하고 신호 정밀도를 향상시켰다.
• 전도도 스펙트럼을 분석하여 상전이 Majorana 모드와 비상전이 유도 상태를 구별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1D 초전도체의 가장자리에서 관측된 0 전압 전도도 피크(ZBCP)는 진정된 Majorana 0 모드의 신뢰할 수 있는 특징일 수 있는가?
• RQ2 상전이 겉면 갭 열림과 진정된 Majorana 가장자리 상태의 출현 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 Andreev 유도 상태나 가장자리 불순물로 인한 가짜 ZBCP는 진정된 Majorana 신호와 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ4 동시 겉면 갭 열림은 진정된 Majorana 0 모드가 나타나기 위한 필수 조건인가?
• RQ5 동시 겉면 및 가장자리 터널 측정은 나노와이어 시스템에서 Majorana 탐지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• InAs 나노와이어의 가장자리에서 0 전압 전도도 피크(ZBCP)는 초전도 겉면 갭이 닫힌 후 재개될 때만 나타났다.
• 가장자리 ZBCP의 출현은 상전이 겉면 갭 열림과 동시에 발생하여 상전이 단계 전이를 확인하였다.
• 겉면 갭이 재개되지 않은 조건에서는 관측되지 않은 ZBCP는 부드러운 잠재력이나 Andreev 유도 상태와 같은 비상전이 기원을 배제하였다.
• 동시 겉면 및 가장자리 측정을 통해 ZBCP만으로는 Majorana 상태를 확인하는 데 부족하며, 갭 열림 없이도 ZBCP가 나타날 수 있음을 드러냈다.
• 데이터는 동반된 겉면 갭 열림이 진정된 Majorana 0 모드가 나타나기 위한 필수 조건임을 지지한다.
• 결과는 가장자리 ZBCP와 겉면 갭 열림의 조합이 나노와이어 기반 플랫폼에서 Majorana 탐지에 더 강력한 특징을 제공함을 검증한다.