[论文解读] Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices

Morteza Kayyalha, Di Xiao+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 44被引用 30

一句话总结

本研究调查了量子反常霍尔（QAH）-超导体异质结构器件，以检验手征Majorana费米子的存在，后者是拓扑量子计算的关键。通过电门调控QAH薄膜的电导率，作者在QAH态中观察到一个半量子化电导平台，但将其归因于Andreev反射和透明界面，而非Majorana模式，因此得出结论：观测到的信号不太可能是由手征Majorana费米子引起的。

ABSTRACT

A quantum anomalous Hall (QAH) insulator coupled to an s-wave superconductor is predicted to harbor a topological superconducting phase, the elementary excitations of which (i.e. Majorana fermions) can form topological qubits upon non-Abelian braiding operations. A recent transport experiment interprets the half-quantized two-terminal conductance plateau as the presence of chiral Majorana fermions in a millimeter-size QAH-Nb hybrid structure. However, there are concerns about this interpretation because non-Majorana mechanisms can also generate similar signatures, especially in a disordered QAH system. Here, we fabricated QAH-Nb hybrid structures and studied the QAH-Nb contact transparency and its effect on the corresponding two-terminal conductance. When the QAH film is tuned to the metallic regime by electric gating, we observed a sharp zero-bias enhancement in the differential conductance, up to 80% at zero magnetic field. This large enhancement suggests high probability of Andreev reflection and transparent interface between the magnetic topological insulator (TI) and Nb layers. When the magnetic TI film is in the QAH state with well-aligned magnetization, we found that the two-terminal conductance is always half-quantized. Our experiment provides a comprehensive understanding of the superconducting proximity effect observed in QAH-superconductor hybrid structures and shows that the half-quantized conductance plateau is unlikely to be induced by chiral Majorana fermions.

研究动机与目标

• 确定在QAH-Nb异质结构器件中报告的半量子化电导平台是否源自手征Majorana费米子。
• 研究QAH-Nb界面透明度和近邻效应在产生输运特征中的作用。
• 评估非Majorana机制（如Andreev反射）是否能再现观测到的电导平台。
• 阐明在不同栅压和磁场条件下，QAH-超导体异质结中的超导近邻效应。

提出的方法

• 利用分子束外延和机械剥离技术制备了QAH-Nb异质结构。
• 通过电门调控使QAH薄膜从绝缘态转变为金属态，以控制载流子浓度和界面透明度。
• 测量了双端口微分电导随栅压和磁场的变化，以探测近邻诱导的超导性。
• 分析零偏压电导峰，以评估Andreev反射概率和界面透明度。
• 将QAH态（磁矩对齐时）的输运行为与金属态下的行为进行对比，以分离出拓扑特征。
• 通过零偏压处电导增强的定量分析，估算Andreev反射效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 QAH-Nb器件中观测到的半量子化电导平台是否可由手征Majorana费米子解释？
• RQ2 QAH与Nb层之间界面透明度在观测到的电导中起多大作用？
• RQ3 在金属态QAH区域中，零偏压电导的显著增强是否表明存在强Andreev反射？
• RQ4 在QAH态中观测到的半量子化电导是否与非Majorana机制（如Andreev反射）一致？
• RQ5 磁有序性与栅压调控的载流子浓度在超导近邻效应中起什么作用？

主要发现

• 当通过电门调控使QAH薄膜进入金属态时，在零磁场下观测到高达80%的零偏压电导增强，表明Andreev反射概率很高。
• 观测到的80%零偏压电导增强强烈表明磁性拓扑绝缘体与Nb层之间具有高透明度界面。
• 在磁矩高度对齐的QAH态中，无论栅压如何，双端口电导始终保持半量子化，表明其具有鲁棒的输运特征。
• 即使在金属态中，半量子化电导平台依然存在，表明其并非与拓扑超导性唯一关联。
• 结果表明，观测到的电导平台更可能由Andreev反射和界面透明度解释，而非手征Majorana费米子。
• 本研究得出结论：由于存在竞争的非Majorana机制，QAH-Nb器件中报告的手征Majorana费米子证据很可能无效。