[論文レビュー] Proposal for Creating a Spin-polarized p_x+ip_y State and Majorana Fermions

Patrick A. Lee|ArXiv.org|Jul 15, 2009

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、強いスピン軌道結合を有する非対称中心超伝導体に鉄磁性膜をデポすることで、スピン極化した $p_x + ip_y$ 超伝導状態を実現し、マヨラナフェルミオンを宿す手法を提案する。ペアリング状態は、キラルな $p$-波的性質を示し、$p_x - ip_y$ 成分が強く、ストロベリー・ボルツマン状態としてのゼロエネルギーのマヨラナ局在状態と、トンネル分光法による検出可能なキラルなマヨラナエッジモードを有する。このエッジモードは、$e^2/h$ の量子化された電導度を示す。主な貢献は、従来の材料を用いたスケーラブルで実験的に実現可能なトポロジカル量子計算プラットフォームの構築である。

ABSTRACT

The spin polarized p_x + ip_y superconductor is known to support Majorana states but so far there has been no example. We propose a simple setup to create such a state by depositing a ferromagnetic metal on a non-centrosymmetric superconductor with strong spin-orbit coupling which contains a Rashba-type term.

研究の動機と目的

• スピン極化した $p_x + ip_y$ 超伝導状態を実現する現実的で実験的な道筋を提示すること。これは、マヨラナフェルミオンを宿すために不可欠な条件である。
• マヨラナフェルミオンの実験的検出に適した高エネルギースケールを持つトポロジカル超伝導体を構築する長年の課題に取り組むこと。
• 鉄磁性金属とラシュバ型スピン軌道結合を有する非対称中心超伝導体とのプロキシミティ結合が、キラルな $p$-波ペアリング状態を誘起できることを示すこと。
• STMを用いた鉄磁性ドットへのトンネル分光により、マヨラナエッジモードを検出可能なシグナル（$e^2/h$ の量子化電導度）を提供すること。
• 本提案のプラットフォームを実現するため、高 $T_c$ の非対称中心超伝導体、または強ラシュバスピン分離を示すMOCVD成長界面の実験的探索を促すこと。

提案手法

• 薄い鉄磁性膜（例：CrO₂）を、強いスピン軌道結合を有する非対称中心超伝導体（例：CePt₃Si）上にデポする。
• 超伝導体内のラシュバ型スピン軌道結合が、運動量依存のスピン軌道項 $\bm{g}_{\bm{k}} = (-k_y, k_x, 0)$ を生成し、非対称スピン軌道結合（ASOC）を可能にする。
• ASOCが三重項ペアリングを誘起し、$\bm{d}(\bm{k}) \propto \bm{g}_{\bm{k}}$ となることで、バルク超伝導体内で $p_x \pm ip_y$ ペアリング状態を形成する。
• 鉄磁性層はスピンデゲネラシーを破り、高いスピン極化度のおかげで、1つのスピン成分（例：$\uparrow$）のみを効率的に透過する。これにより、鉄磁性体内でスピン極化した $p_x - ip_y$ ペアリングが誘起される。
• プロキシミティ効果によって誘起されたペアリング状態は、有限な鉄磁性ドットの境界に沿ってキラルなマヨラナエッジモードを支持する。
• 検出は、STMを用いてエッジモードへのトンネル分光を測定することで行い、その電導度は、ストロベリー数に依存して $e^2/h$ の量子化ピークを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄磁性体と強いスピン軌道結合を有する非対称中心超伝導体のヘテロ構造において、スピン極化した $p_x + ip_y$ 超伝導状態を誘起できるか？
• RQ2 ラシュバ型スピン軌道結合が、キラルな $p$-波ペアリングとマヨラナフェルミオンの形成に果たす役割は何か？
• RQ3 このような系において、マヨラナフェルミオンの存在を、単純で明確なシグナルで実験的に検出できるか？
• RQ4 鉄磁性層が、特に2次元準位の数を考慮して、誘起された $p$-波ペアリングのトポロジカル性質を保持する条件は何か？
• RQ5 高品質な界面や代替材料（例：鉄磁性絶縁体）を用いることで、バルクの反転対称性の破れを必要とせずに $p_x + ip_y$ 状態を安定化できるか？

主な発見

• 鉄磁性金属とラシュバ型スピン軌道結合を有する非対称中心超伝導体とのプロキシミティ効果により、スピン選択的透過のおかげでスピン極化した $p_x - ip_y$ 超伝導状態が誘起される。
• 誘起されたペアリング状態は、ストロベリー核にゼロエネルギーのマヨラナ局在状態と、有限な鉄磁性ドットの境界に沿ったキラルなマヨラナエッジモードを有する。
• キラルなマヨラナエッジモードは、STM測定において $e^2/h$ の量子化電導度ピークを示し、ストロベリー数に応じて完全に共鳴するか、ゼロとなる。
• この系はトポロジカルに非自明であり、$\nu = 5/2$ の分数量子ホール状態と同等であり、非アーベル統計を支持する。
• 不純物散乱がペアリングを破壊し、マヨラナ状態を消失させるため、高品質なヘテロ構造が不可欠である。
• バルク超伝導体が対称中心を有しても、MOCVD成長によって界面にラシュバ項が形成されれば、本提案はロバストであり、材料選択の幅が広がる。