[论文解读] Protocol to identify a topological superconducting phase in a three-terminal device

Dmitry I. Pikulin, Bernard van Heck+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 104被引用 31

一句话总结

本文提出了拓扑间隙协议（TGP），一种在三端口器件中的两阶段、基于导电性的自动化流程，通过结合局部零偏置峰检测与非局部的间隙关闭/重新打开测量，识别并验证承载马约拉纳零模的拓扑超导相。它强调通过系统性数据分析对拓扑相与普通Andreev界态以及杂质效应进行鲁棒区分。

ABSTRACT

We develop a protocol to determine the presence and extent of a topological phase with Majorana zero modes in a hybrid superconductor-semiconductor device. The protocol is based on conductance measurements in a three-terminal device with two normal leads and one superconducting lead. A radio-frequency technique acts as a proxy for the measurement of local conductance, allowing a rapid, systematic scan of the large experimental phase space of the device. Majorana zero modes cause zero bias conductance peaks at each end of the wire, so we identify promising regions of the phase space by filtering for this condition. To validate the presence of a topological phase, a subsequent measurement of the non-local conductance in these regions is used to detect a topological transition via the closing and reopening of the bulk energy gap. We define data analysis routines that allow for an automated and unbiased execution of the protocol. Our protocol is designed to screen out false positives, especially trivial Andreev bound states that mimic Majorana zero modes in local conductance. We apply the protocol to several examples of simulated data illustrating the detection of topological phases and the screening of false positives.

研究动机与目标

• 在三端口器件中开发一个具体的实验协议以识别基于马约拉纳的拓扑相。
• 将快速的局部导电性测量与较慢的非局部导电性测量相结合，以定位体相带的关闭与重新打开。
• 实现数据分析的自动化，以过滤掉来自普通ABS的误报。
• 提出一个鲁棒的方法，要求相关的ZBP存在与体相跃迁作为拓扑性的证据。

提出的方法

• 测量三端口器件的完整导电矩阵（局部与非局部）。
• 通过局部导电性，在两端检测相关的零偏置峰（ZBP）。
• 使用非局部导电性检测体相带的关闭与重新打开，信示拓扑转变。
• 自动化数据分析以确定拓扑区域并量化拓扑间隙。
• 用仿真和测试设备数据进行标定，以区分马约拉纳信号与普通ABS及杂质效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 两端的相关零偏置峰与非局部观测到的体相带关闭与重新打开，是否能稳健指示拓扑超导相？
• RQ2 完整的导电矩阵扫描在多大程度上能将马约拉纳诱发信号与普通Andreev束缚态和杂质区分开来？
• RQ3 在三端口器件中定义拓扑相边界的参数区域（门控电压、磁场）有哪些？
• RQ4 具有ZBP的边界区域有多少比例仍然是无 gaps 的，这将如何影响拓扑识别？

主要发现

• 一个两阶段协议，将局部ZBP筛选与非局部的间隙关闭/重新打开测量结合起来，可以指示拓扑相。
• 非局部导电性测量通过提示体相带闭合来追踪相变线，辅以局部ZBP观察。
• 自动化数据分析可以减少来自普通ABS和杂质的误报，同时识别典型的拓扑区域。
• 在示意性的仿真数据集上演示了该协议，显示了拓扑相的检测与误报的筛选。
• 杂质与光滑势变可以产生准马约拉纳样特征，协议旨在对其进行过滤。