[논문 리뷰] Flux-induced Majorana modes in full-shell nanowires

S. Vaitiekėnas, Mingtang Deng외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 전체 셸 구조의 알루미늄 나노와이어 초전도체에 자기장 투과를 적용함으로써, 초전도체 셸 내의 위상 휠링을 통해 인아르세니드 나노와이어 코어의 끝부분에서 마요라나 영모드(MZMs)가 유도됨을 보여준다. 첫 번째 초전도 띠(Φ₀ = h/2e 근처)에서, 터널링 스펙트로스코피는 강건한 영편이 없는 피크를 보이고, 쿨롱 봉쇄 측정에서는 1e 주기의 피크 간격과 지수적으로 감쇠하는 짝홀 교대가 관측되어, 공간적으로 분리된 MZMs의 존재를 확인한다.

ABSTRACT

We demonstrate a novel means of creating Majorana zero modes using magnetic flux applied to a full superconducting shell surrounding a semiconducting nanowire core, unifying approaches based on proximitized nanowires and vortices in topological superconductors. In the destructive Little-Parks regime, reentrant regions of superconductivity are associated with integer number of phase windings in the shell. Tunneling into the core reveals a hard induced gap near zero applied flux, corresponding to zero phase winding, and a gapped region with a discrete zero-energy state for flux around Φ_0 = h/2e, corresponding to 2π phase winding. Coulomb peak spacing in full-shell islands around one applied flux shows exponentially decreasing deviation from 1e periodicity with device length, consistent with the picture of Majorana modes located at the ends of the wire.

연구 동기 및 목표

• 풀 초전도체 셸을 통한 자기장 유도를 통해 반도체-초전도체 하이브리드 나노와이어에서 마요라나 영모드(MZMs)를 생성하는 새로운 메커니즘을 보여주는 것.
• 풀쉘 기하학에서의 리틀-파크스 효과를 이용해, 프록시마티즈드 나노와이어와 비오르트 기반 접근법을 통합하여 토폴로지적 초전도체를 구현하는 것.
• 풀쉘 나노와이어 장치에서 터널링 스펙트로스코피와 쿨롱 봉쇄 측정을 통해 MZMs에 대한 실험적 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 인아르세니드 나노와이어 코어 위에 에피택셜 알루미늄 초전도체 셸을 형성하여, 자기장 유도로 인한 위상 휠링을 통해 토폴로지적 초전도체를 만든다.
• 리틀-파크스 영역에서 축 방향 자기장과 전류에 대한 알루미늄 셸의 미분 저항을 측정하여 재진입 초전도 띠를 식별한다.
• 터널링 스펙트로스코피를 통해 인아르세니드 코어로 진입하여 임계 상태를 탐지하고, 첫 번째 초전도 띠(Φ₀ = h/2e)에서 영편이 없는 피크를 확인한다.
• 다양한 길이(210–970 nm)의 풀쉘 쿨롱 도시를 제작하여 자기장 유도 하에서의 짝홀 교대 성질을 탐색한다.
• 쿨롱 다이아몬드에서 레버 암과 피크 간격 차이(ΔδV)를 추출하여 나노와이어 끝부분의 MZMs의 하이브리드화 에너지를 정량화한다.
• A = η × ΔδV의 진폭을 지수 감쇠 함수 A₀e^(-L/ξ)에 맞춰서 피팅하여 MZMs의 효과적 코herence 길이 ξ를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀 초전도체 셸에 적용된 자기장이 반도체 나노와이어 코어 내에서 토폴로지적 초전도체를 유도하고 마요라나 영모드를 유지할 수 있는가?
• RQ2 셸 내 초전도체 오더 파라미터의 위상 휠링이 나노와이어 끝부분에서 토폴로지적으로 보호된 영에너지 상태를 유도하는가?
• RQ3 관측된 1e 주기의 쿨롱 봉쇄 간격과 지수적으로 감쇠하는 짝홀 교대 성질이 공간적으로 분리된 마요라나 모드의 존재와 일치하는가?
• RQ4 마요라나 모드의 하이브리드화 에너지는 나노와이어 길이에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 외부 조지먼 필드가 필요 없이 플럭스 제어를 통해 시스템을 토폴로지적 상태로 전환시킬 수 있는가?

주요 결과

• 영제 초전도 띠(Φ ≈ 0)에서는 코어로의 터널링 측정에서 경직된 프록시마티즈드 갭이 관측되고, 임계 상태가 없어, 비틀림 초전도 상태임을 나타낸다.
• 첫 번째 초전도 띠(Φ ≈ h/2e)에서는 터널링 스펙트로스코피에서 강건한 영편이 없는 피크가 관측되어, 마요라나 영모드와 일치하는 이산적인 영에너지 상태임을 나타낸다.
• 풀쉘 도시에서의 쿨롱 봉쇄 측정은 첫 번째 띠에서 1e 주기의 피크 간격과 지수적으로 감쇠하는 짝홀 교대 성질을 보이며, 이는 MZMs의 존재를 뒷받침한다.
• 짝홀 피크 간격 차이의 진폭 A = η × ΔδV는 길이에 따라 지수적으로 감쇠하며, 최적 피팅으로부터 효과적 코herence 길이 ξ = 230 nm를 도출한다.
• 진폭 A는 L = 210 nm일 때 45 μeV에서 L = 970 nm일 때 0.6 μeV로 감소하여, MZMs의 하이브리드화가 지수적으로 억제됨을 확인한다.
• B = 140 mT(첫 번째 띠)에서 임계 상태가 관측되지 않아, 경직된 갭과 B = 110 mT에서의 영편이 없는 피크의 안정성을 확인한다.