[論文レビュー] Perfect transmission in rippled topological insulator nanowires

Emmanouil Xypakis, Jun‐Won Rhim+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、空間的に変調された半径および磁場フラックスを有するリッピングされたトポロジカル絶縁体ナノワイヤにおける完全透過を調査している。クリーンでドーピングなしのワイヤーにおけるキラル対称性は、AIIIクラスに属し、Zトポロジカル不変量を持つことを示しており、これはトポロジカル位相遷移を示す特定の磁場フラックス値において完全透過を可能にする。一方、ドーピングや不純物はキラル対称性を破壊し、フラックスの増加に伴いアハロノフ＝ボーム振動の振幅を減少させることで、この効果を抑制する。

ABSTRACT

Topological insulator nanowires with uniform cross section, combined with a magnetic flux, can host both perfectly transmitted mode and Majorana zero modes. Here we consider nanowires with rippled surfaces---specifically, wires with a circular cross section with a radius varying along its axis---and calculate their transport properties. At zero doping, chiral symmetry places the clean wires (no impurities) in the AIII symmetry class, which results in a Z topological classification. A magnetic flux threading the wire tunes between the topologically distinct insulating phases, with perfect transmission obtained at the phase transition. We derive an analytical expression for the exact flux value at the transition. Both doping and disorder breaks the chiral symmetry and the perfect transmission. At finite doping, the interplay of surface ripples and disorder with the magnetic flux modifies quantum interference such that the amplitude of Aharonov-Bohm oscillations reduces with increasing flux, in contrast to wires with uniform surfaces where it is flux-independent.

研究の動機と目的

• リッピングしたトポロジカル絶縁体ナノワイヤの表面リップルが電子輸送およびトポロジカル保護に与える影響を理解すること。
• キラル対称性を有するリッピングナノワイヤにおける磁場フラックスの役割を、トポロジカル位相遷移の調整要因として調査すること。
• 特に位相境界において完全透過が出現する条件を特定すること。
• ドーピングおよび不純物が完全透過の頑健性および量子干渉効果に与える影響を分析すること。

提案手法

• 表面の調制を引き起こす軸方向に変化する半径を有するトポロジカル絶縁体としてリッピングナノワイヤをモデル化する。
• クリーンなワイヤーにおけるZトポロジカル不変量を確立するためにキラル対称性を用いたAIII対称性クラスにおける輸送を分析する。
• トポロジカル位相遷移が発生する臨界磁場フラックス値の解析的表現を導出する。
• 有限のドーピングおよび不純物を導入し、キラル対称性の破壊が透過およびアハロノフ＝ボーム振動に与える影響を調査する。
• 量子干渉理論を用いて、表面リップルおよび不純物がフラックス依存の振動幅に与える影響を検討する。
• 均一な表面を有するナノワイヤと比較することで、リッピング系における特徴的なフラックス依存性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル対称性を有するクリーンでドーピングなしのリッピングされたトポロジカル絶縁体ナノワイヤにおいて、どの磁場フラックス値でトポロジカル位相遷移が発生するか？
• RQ2 不純物が存在しない状況において、表面リップルは完全透過の出現にどのように影響を与えるか？
• RQ3 キラル対称性がドーピングや不純物によって破壊された場合、完全透過はどのように変化するか？
• RQ4 リッピングナノワイヤと均一ナノワイヤにおいて、アハロノフ＝ボーム振動の振幅は磁場フラックスにどのように依存するか？
• RQ5 リップルと不純物が磁場フラックスとともに存在する場合、量子干渉は輸送特性をどのように変化させるか？

主な発見

• 完全透過は、クリーンでドーピングなしのリッピングナノワイヤにおいて、トポロジカル位相遷移に対応する磁場フラックス値において正確に発生する。
• AIIIクラスにおけるZトポロジカル不変量に基づき、位相遷移における臨界フラックスの解析的表現が導出された。
• ドーピングおよび不純物はキラル対称性を破壊し、完全透過を抑制し、トポロジカル保護を消失させる。
• リッピングナノワイヤでは、磁場フラックスの増加に伴いアハロノフ＝ボーム振動の振幅が減少するが、均一ナノワイヤでは一定のままである。
• 表面リップル、不純物、および磁場フラックスの相互作用が量子干渉を変化させ、フラックス依存の振動抑制を引き起こす。
• キラル対称性が保持されるため、クリーンなリッピングワイヤーではトポロジカル分類はZのままであり、位相境界における頑健な輸送が可能となる。