[论文解读] Effective g-factor in Majorana Wires

S. Vaitiekėnas, Deng Ming+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Matrix Theory and Algorithms被引用 6

一句话总结

本研究通过门控调节载流子密度，研究了异质InAs/Al纳米线中Andreev亚能隙态的有效g因子，发现随着载流子被耗尽，|g*|呈现阶梯状下降。关键发现是，g因子的演化反映了亚能隙态空间分布从半导体核心向InAs/Al界面的转变，从而实现了对超导能隙硬化和g因子增强的调控，这对实现Majorana零模器件至关重要。

ABSTRACT

We use the effective g-factor of subgap states, g*, in hybrid InAs nanowires with an epitaxial Al shell to investigate how the superconducting density of states is distributed between the semiconductor core and the metallic shell. We find a step-like reduction of g* and improved hard gap with reduced carrier density in the nanowire, controlled by gate voltage. These observations are relevant for Majorana devices, which require tunable carrier density and g* exceeding the g-factor of the proximitizing superconductor. Additionally, we observe the closing and reopening of a gap in the subgap spectrum coincident with the appearance of a zero-bias conductance peak.

研究动机与目标

• 理解异质纳米线中载流子密度如何影响Andreev亚能隙态的有效g因子。
• 确定超导态密度在纳米线横截面（半导体核心与Al壳层）中的分布情况。
• 探讨g因子调控对实现拓扑超导性和Majorana零模的潜在影响。
• 证明门电压可同时调控g因子和纳米线中的硬能隙。

提出的方法

• 通过轴向磁场中微分电导（dI/dV）测量Andreev束缚态的Zeeman分裂，提取有效g因子（g*）。
• 使用电背栅、侧栅或顶栅调节外延Al壳层的InAs纳米线中的载流子密度。
• 通过局部刻蚀的Al势垒进行隧道谱测量，探测纳米线一端的亚能隙态。
• 从零偏置附近亚能隙态的线性能量依赖关系中提取g*，作为磁场的函数。
• 从零偏置附近d²I/dV²的最大斜率中定义诱导的超导能隙Δ*。
• 将g*与Δ*与门电压相关联，推断亚能隙态在纳米线横截面中的空间局域化特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 门控调节的载流子密度如何影响异质纳米线中Andreev亚能隙态的有效g因子？
• RQ2 当载流子密度降低时，亚能隙态主要局域在InAs核心还是InAs/Al界面附近？
• RQ3 有效g因子能否被调控至超过母体超导体（Al，g ≈ 2）的值，以实现拓扑相变？
• RQ4 随着载流子密度降低且亚能隙态向界面移动，超导能隙如何实现硬化？
• RQ5 g*与纳米线横截面中超导态密度分布之间存在何种关系？

主要发现

• 有效g因子|g*|随着门电压从0 V调节至-7.5 V，呈现阶梯状从~34降至~4.3，表明亚能隙态局域化发生转变。
• 在高载流子密度下（V_G = 0 V），|g*| ≈ 34，与InAs的大g因子（g ≈ -15）一致，表明态主要由核心主导。
• 在低载流子密度下（V_G = -7.5 V），|g*| ≈ 4.3，接近Al的g因子值（g ≈ 2），表明态局域在InAs/Al界面附近。
• 载流子密度降低时观察到能隙硬化（Δ*改善），并与界面局域态的形成相关。
• g因子的演化具有门控可调性，且直接反映了超导态密度在纳米线横截面中的空间分布。
• 结果证实，通过耗尽半导体核心中的载流子，可实现增强的g*和更优的能隙硬化，从而工程化调控亚能隙态。