[论文解读] Bulk and surface states carried supercurrent in ballistic Nb-Dirac semimetal Cd3As2 nanowire-Nb junctions

Caizhen Li, Chuan Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2018

Surface and Thin Film Phenomena被引用 10

一句话总结

本研究在弹道Nb-Cd3As2纳米线-Nb结中展示了超导电流通过体态和表面态的传输，短结中的法布里-珀罗振荡表明表面态具有相干传输特性，而长结中的超导能隙则源于表面态与体态的相互作用。结果证实，在近邻超导效应下，拓扑保护的表面态仍能保持相干性，为实现拓扑量子计算中的马约拉纳费米子编织提供了重要进展。

ABSTRACT

A three-dimensional Dirac semimetal has bulk Dirac cones in all three momentum directions and Fermi arc-like surface states, and can be converted into a Weyl semimetal by breaking time-reversal symmetry. However, the highly conductive bulk state usually hides the electronic transport from the surface state in Dirac semimetal. Here, we demonstrate the supercurrent carried by bulk and surface states in Nb-Cd3As2 nanowire-Nb short and long junctions, respectively. For the 1 micrometer long junction, the Fabry-Perot interferences induced oscillations of the critical supercurrent are observed, suggesting the ballistic transport of the surface states carried supercurrent, where the bulk states are decoherent and the topologically protected surface states still keep coherent. Moreover, a superconducting dome is observed in the long junction, which is attributed to the enhanced dephasing from the interaction between surface and bulk states as tuning gate voltage to increase the carrier density. The superconductivity of topological semimetal nanowire is promising for braiding of Majorana fermions toward topological quantum computing.

研究动机与目标

• 研究超导Nb电极耦合的狄维半金属Cd3As2纳米线中的超导电流传输。
• 分离弹道纳米线结中体态与表面态对超导电流的贡献。
• 探究在近邻超导效应下，拓扑保护表面态的相干性。
• 探索通过栅压调节载流子密度对超导电流行为的影响。
• 评估Cd3As2纳米线在拓扑量子计算中实现马约拉纳费米子的潜力。

提出的方法

• 制备长度为1 μm（短结）和更长（长结）的弹道Nb-Cd3As2纳米线-Nb结。
• 测量临界超导电流随磁场和栅压的变化，以探测干涉和退相位效应。
• 利用临界电流中的法布里-珀罗干涉图案识别表面态中的相干传输。
• 应用静电栅压调节载流子密度，研究其对退相位和超导电流增强的影响。
• 比较短结与长结在临界电流振荡和超导能隙特征上的差异。
• 分析输运数据，以区分体态（非相干）与表面态（相干）的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nb-Cd3As2纳米线-Nb结中，超导电流是否可由体态和表面态共同承载？
• RQ2 在近邻超导效应下，拓扑保护的表面态是否保持相干性？
• RQ3 栅压调节如何影响长Cd3As2纳米线结中的退相位和临界电流？
• RQ4 表面-体态相互作用在调控超导电流行为中起什么作用？
• RQ5 临界电流中的法布里-珀罗振荡是否可归因于相干表面态传输？

主要发现

• 1 μm结中临界电流的法布里-珀罗振荡证实了拓扑保护表面态的相干弹道传输。
• 体态表现出退相位，而表面态即使在强体态电导主导下仍保持相干性。
• 当栅压增加时，长结中观察到超导能隙，表明表面-体态相互作用导致退相位增强。
• 短结中临界电流振荡与约1 μm的相位相干传输路径一致，与纳米线长度匹配。
• 在近邻超导效应下，相干表面态传输的持续存在支持了Cd3As2纳米线在拓扑量子计算中的可行性。
• 结果表明，狄维半金属中的表面态可在弹道区域维持超导电流，即使体态主导电导。