[论文解读] Detecting topological superconductivity using the Shapiro steps

Jay D. Sau, F. Setiawan|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本文識別出一種非拓撲機制——在高度透明的半導體約瑟夫森結中，共振雜質束缚態——可模擬拓撲超導性的典型特徵：分數約瑟夫森效應。研究表明，低頻率的雙倍 Shapiro 步驟是區分真實拓撲超導態與此類平凡背景的更可靠指標。

ABSTRACT

The fractional Josephson effect has been observed in many instances as a signature of a topological superconducting state containing zero-energy Majorana modes. We present a nontopological scenario which can produce a fractional Josephson effect generically in semiconductor-based Josephson junctions, namely, a resonant impurity bound state weakly coupled to a highly transparent channel. We show that the fractional ac Josephson effect can be generated by the Landau-Zener processes which flip the electron occupancy of the impurity bound state. The Josephson effect signature for Majorana modes become distinct from this nontopological scenario only at low frequency. We prove that a variant of the fractional ac Josephson effect, namely, the low-frequency doubled Shapiro steps, can provide a more reliable signature of the topological superconducting state.

研究动机与目标

• 識別半導體約瑟夫森結中可模擬分數約瑟夫森效應的非拓撲機制。
• 分析 Landau-Zener 過程在透過雜質束缚態產生分數交流約瑟夫森效應中的作用。
• 利用頻率依賴的 Shapiro 步驟圖案，區分拓撲超導態與平凡的非拓撲背景。
• 確立低頻率雙倍 Shapiro 步驟作為檢測拓撲超導性的更可靠實驗指標。

提出的方法

• 建模具有弱耦合共振雜質束缚態的半導體約瑟夫森結，其通道高度透明。
• 利用會翻轉雜質態佔據數的 Landau-Zener 遷移分析交流約瑟夫森效應。
• 推導在交流驅動下的電流-相位關係，顯示分數步驟是因共振能級遷移而產生。
• 比較拓撲與非拓撲情境下 Shapiro 步驟的頻率依賴性。
• 識別出一個獨特的低頻區段，在此區段僅在拓撲情況下出現雙倍 Shapiro 步驟。
• 使用數值與解析計算驗證雙倍步驟作為拓撲指標的出現。

实验结果

研究问题

• RQ1 非拓撲雜質束缚態是否可在高度透明結中重現分數約瑟夫森效應？
• RQ2 Landau-Zener 過程如何貢獻於此類系統中分數交流約瑟夫森效應的產生？
• RQ3 在何種頻率範圍內，拓撲與非拓撲指標在 Shapiro 步驟測量中會分離？
• RQ4 低頻率下的雙倍 Shapiro 步驟能否作為拓撲超導性的獨特識別指標？
• RQ5 Majorana 模式與平凡共振雜質的 Shapiro 步驟圖案有何區別？

主要发现

• 非拓撲共振雜質束缚態可透過 Landau-Zener 遷移在高度透明結中產生分數約瑟夫森效應。
• 來自雜質的分數交流約瑟夫森效應在高頻率下顯著，會掩蓋拓撲指標。
• 僅在拓撲情況下，低頻率 Shapiro 步驟會出現雙倍現象，這是因 Majorana 模式的存在。
• 低頻率下的雙倍步驟圖樣成為與平凡非拓撲背景明顯可區分的強健指標。
• 只有在低頻率下，拓撲與非拓撲情境的差異才會顯現，此時非拓撲模擬效應會失效。
• 所提出的雙倍 Shapiro 步驟指標具有實驗可實現性，且在檢測拓撲超導性方面比標準分數約瑟夫森效應更可靠。