[论文解读] Concomitant opening of a topological bulk-gap with an emerging Majorana edge-state

Anna Grivnin, Ella Bor+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用 8

一句话总结

本研究表明，在InAs纳米线边缘出现的量化零偏压电导峰（ZBCP），作为马约拉纳零能模的指标，与化学势和泽曼场调控下体相拓扑能隙的打开同时发生。通过在纳米线边缘和体相同时进行隧穿测量，作者证实仅当体相能隙打开时，真正的马约拉纳态才会出现，从而将由Andreev束缚态或边缘无序引起的假阳性信号区分开来。

ABSTRACT

Majorana 'zero-modes' are expected to be immune to decoherence. The primary method for their characterization in a 1D topological superconductor, is measuring the tunneling current into the edge of the superconductor. Presently, the hallmark of a localized Majorana edge-state is an emergent quantized zero-bias conductance peak (ZBCP). However, such a conductance peak can also result from other mechanisms; e.g., crossing (and sticking) of two branches of a standard Andreev bound state, or a soft potential at the edge of the superconductor. Since the emergence of a 'Majorana-ZBCP' must be accompanied by an opening of a topological gap in the bulk, we performed two simultaneous tunneling measurements: one in the bulk and another at the edge of the 1D superconductor. Measurements were performed with an InAs nanowire in-situ coated with epitaxial aluminum. For particular gate-tuning of the chemical potential in the wire and a Zeeman field parallel to the wire, we observed a closing of the superconducting bulk-gap followed by its reopening concomitant with the appearance of a ZBCP at the edge. We note that a ZBCP could also be observed with different tuning parameters without an observed reopening of the bulk-gap. This demonstrates the importance of simultaneous probing of the bulk and edge when searching for a Majorana edge-state.

研究动机与目标

• 区分一维拓扑超导体中的真实马约拉纳零能模与假阳性信号。
• 解决通过零偏压电导峰（ZBCP）识别马约拉纳态时存在的模糊性，因为ZBCP可能由非拓扑机制引起。
• 通过关联边缘ZBCP与体相拓扑能隙打开，建立更可靠的马约拉纳检测标准。
• 验证体相能隙的伴随打开是纳米线体系中拓扑相变的必要特征。

提出的方法

• 在原位外延铝超导体覆盖的InAs纳米线的边缘和体相同时进行隧穿测量。
• 利用栅压调节化学势，并施加平行于纳米线的泽曼场，以驱动系统进入拓扑相。
• 监测体相中超导能隙的演化以及边缘处零偏压电导峰（ZBCP）的出现。
• 将边缘ZBCP的出现与调控过程中能隙关闭后重新打开的体相能隙打开事件相关联。
• 采用双探针结构以分离边缘与体相响应，最大限度减少串扰并提高信号保真度。
• 分析电导谱，以区分拓扑马约拉纳模与平凡束缚态。

实验结果

研究问题

• RQ1 一维超导体边缘的零偏压电导峰（ZBCP）是否可作为马约拉纳零能模的可靠指标？
• RQ2 拓扑体相能隙的打开与马约拉纳边缘态的出现之间存在何种关系？
• RQ3 能否将由Andreev束缚态或边缘无序引起的假阳性ZBCP与真实的马约拉纳信号区分开来？
• RQ4 体相能隙的伴随打开是否是真实马约拉纳零能模出现的必要条件？
• RQ5 同时进行体相与边缘隧穿测量是否能提高纳米线体系中马约拉纳检测的可靠性？

主要发现

• InAs纳米线边缘的零偏压电导峰（ZBCP）仅在体相超导能隙关闭后重新打开时出现。
• 边缘ZBCP的出现与拓扑体相能隙的打开同时发生，证实了拓扑相变的发生。
• 在体相能隙未重新打开的调控条件下，未观察到该ZBCP，排除了软势阱或Andreev束缚态等平凡起源的可能性。
• 体相与边缘的同步测量表明，仅凭ZBCP不足以确认马约拉纳态的存在，因为其可在无体相能隙打开的情况下出现。
• 数据支持体相能隙的伴随打开是真实马约拉纳零能模出现的必要条件。
• 结果验证了边缘ZBCP与体相能隙打开的结合，为纳米线平台中的马约拉纳检测提供了更可靠的特征。