[論文レビュー] Missing odd-order Shapiro steps do not uniquely indicate fractional Josephson effect

Po Zhang, S.R. Mudi+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、欠落する奇数次シャピロステップ—しばしば分数ジョセフソン効果およびトポロジカル超伝導体の特徴とされるもの—が、マヨラナ零モードが存在しない状況でも、多重アンドレーエフ反射、ランダウ＝ツェナー遷移、および高品質なジョセフソン接合における自己加熱といった非トポロジカルなメカニズムによって生じうることを示している。著者らは、このようなステップ抑制がマヨラナ零モードが存在しない場合にも発生することを示しており、トポロジカル超伝導体の同定に用いられるこの特徴の特異性を揺るがしている。

ABSTRACT

Topological superconductivity is expected to spur Majorana zero modes -- exotic states that are also considered a quantum technology asset. Fractional Josephson effect is their manifestation in electronic transport measurements, often under microwave irradiation. A fraction of induced resonances, known as Shapiro steps, should vanish, in a pattern that signifies the presence of Majorana modes. Here we report patterns of Shapiro steps expected in topological Josephson junctions, such as the missing first Shapiro step, or several missing odd-order steps. But our junctions, which are InAs quantum wells with Al contacts, are studied near zero magnetic field, meaning that they are not in the topological regime. We also observe other patterns such as missing even steps and several missing steps in a row, not relevant to topological superconductivity. Potentially responsible for our observations is rounding of not fully developed steps superimposed on non-monotonic resistance versus voltage curves, but several origins may be at play. Our results demonstrate that any single pattern, even striking, cannot uniquely identify topological superconductivity, and a multifactor approach is necessary to unambiguously establish this important phenomenon.

研究の動機と目的

• ジョセフソン接合における奇数次シャピロステップの欠落が、分数ジョセフソン効果およびトポロジカル超伝導体の存在を明確に示すものかどうかを調査すること。
• 高品質でトポロジカルに自明な接合において、類似したステップ抑制パターンを生じる非トポロジカルなメカニズムを同定すること。
• 多重アンドレーエフ反射、ランダウ＝ツェナー遷移、および自己加熱が、シャピロステップの可視性に与える影響を評価すること。
• 実験的設定において、欠落する奇数ステップがマヨラナ零モードの決定的特徴であるという仮定に疑問を呈すること。

提案手法

• ナノワイヤーシャドウマスク法を用いて、接合の幾何学的形状および界面品質を精密に制御した高透過性のAl/InAs量子井戸ジョセフソン接合を形成した。
• 非平衡輸送挙動を調査するため、周波数、マイクロ波出力、磁束を変化させたマイクロ波駆動型シャピロステップ測定を実施した。
• 微分抵抗（dV/dI）トレースを分析し、抵抗ピークと抑制または欠落したシャピロステップとの相関関係を特定した。
• 非単調な抵抗曲線および非線形性がステップ可視性に与える影響をモデル化するための数値シミュレーションを実施した。特に低周波数領域での影響を重点的に評価した。
• 自己加熱の影響を評価するため、磁束を印加して臨界電流を低下させ、熱ヒステリシスを低減した。
• ランダウ＝ツェナー遷移および分数ジョセフソンダイナミクスの理論的予測と実験的ステップパターンを比較し、トポロジカル起源を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高品質なジョセフソン接合において、分数ジョセフソン効果やトポロジカル超伝導体が存在しない状況でも、奇数次シャピロステップの欠落が生じ得るか？
• RQ2 多重アンドレーエフ反射ピークおよび非単調な抵抗曲線が、シャピロステップの可視性をどれほど抑制または歪めているか？
• RQ3 トポロジカル相が存在しない状況で、ランダウ＝ツェナー遷移および自己加熱が低次のシャピロステップの抑制にどのように寄与しているか？
• RQ4 同じようなステップ抑制パターンを非トポロジカルなメカニズムが再現可能であり、それらがマヨラナ零モードの特徴的特徴としての使用を根底から覆す可能性はあるか？
• RQ5 特に低電圧領域において、マイクロ波周波数がシャピロステップの可視性および安定性に果たす役割は何か？

主な発見

• トポロジカルに自明なAl/InAs量子井戸ジョセフソン接合において、マイクロ波照射下で奇数次シャピロステップ（最大i=5）が欠落していることが観測された。
• 偶数次ステップに対しても抑制が見られ、ステップ損失が4π周期の分数ジョセフソン振るまいにのみ関連しているわけではないことが示された。
• 特に低周波数で顕著な、多重アンドレーエフ反射に起因する非単調な抵抗特徴が、ステップ可視性の低下を引き起こしていることが判明した。
• 自己加熱効果が、スイッチング電流付近で電子温度を上昇させることで、第1および第2シャピロステップの消失を引き起こしていることが示された。
• ランダウ＝ツェナー遷移が、分数ジョセフソンダイナミクスを模倣する可能性のある妥当なメカニズムであることが同定されたが、多数のモードを持つ広いプレーン接合ではその関連性はまだ不明瞭である。
• 磁束の印加により臨界電流が低下し、熱ヒステリシスが抑制されたことで、第1シャピロステップが回復した。これにより、自己加熱がステップ抑制に寄与していることが確認された。