[论文解读] Evidence for an anomalous current-phase relation of a dc SQUID with tunable topological junctions

C. Kurter, Y. S. Hor+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用 1

一句话总结

本研究通过实验提供了在可调谐拓扑绝缘体约瑟夫森结的直流 SQUID 中存在非正弦电流-相位关系的证据，其中 SQUID 振荡中被抬升的衍射节点以及单结图案中的有限节点电流表明存在低能 Andreev 界态，可能包括马约拉纳束缚态，其异常超导电流贡献独立于化学势，且在高温下消失。

ABSTRACT

Josephson junctions with topological insulator weak links can host low energy Andreev bound states giving rise to a current phase relation that deviates from sinusoidal behaviour. Of particular interest are zero energy Majorana bound states that form at a phase difference of $\pi$. Here we report on interferometry studies of Josephson junctions and superconducting quantum interference devices (SQUIDs) incorporating topological insulator weak links. We find that the nodes in single junction diffraction patterns and SQUID oscillations are lifted and independent of chemical potential. At high temperatures, the SQUID oscillations revert to conventional behaviour, ruling out asymmetry. The node lifting of the SQUID oscillations is consistent with low energy Andreev bound states exhibiting a nonsinusoidal current phase relation, coexisting with states possessing a conventional sinusoidal current phase relation. However, the finite nodal currents in the single junction diffraction pattern suggest an anomalous contribution to the supercurrent possibly carried by Majorana bound states, although we also consider the possibility of inhomogeneity.

研究动机与目标

• 研究包含拓扑绝缘体弱连接的约瑟夫森结中的电流-相位关系。
• 确定观测到的偏离正弦行为是否源于拓扑 Andreev 界态或材料非均匀性。
• 通过 SQUID 和单结衍射图案的干涉测量探测马约拉纳束缚态的存在。
• 评估化学势调节在调控干涉图案中超导电流和节点结构中的作用。
• 区分拓扑贡献与结不对称性等常规效应。

提出的方法

• 对具有拓扑绝缘体弱连接的约瑟夫森结和 SQUID 进行干涉测量，以测量电流-相位关系。
• 在不同化学势下测量单结衍射图案和 SQUID 振荡。
• 进行温度依赖性测量，以识别常规正弦行为的热恢复。
• 分析衍射图案中的节点结构，以检测偏离标准约瑟夫森行为的迹象。
• 将实验数据与由于 Andreev 界态导致的非正弦电流-相位关系的理论模型进行比较。
• 利用高温测量作为对照，排除结不对称性引起的节点抬升伪影。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑 SQUID 中的电流-相位关系是否因 Andreev 界态而偏离传统的正弦形式？
• RQ2 SQUID 振荡中观测到的节点抬升是否独立于化学势，表明其具有拓扑起源？
• RQ3 单结衍射图案中的有限节点电流是否可归因于异常超导电流分量？
• RQ4 异常行为是否与相位差为 π 时存在马约拉纳束缚态一致？
• RQ5 在高温下常规振荡的恢复是否排除了结不对称性作为节点抬升的原因？

主要发现

• 单结衍射图案和 SQUID 振荡中的节点被抬升，表明偏离了传统的正弦电流-相位行为。
• 节点抬升独立于化学势持续存在，表明低能 Andreev 界态有稳健贡献。
• 在高温下，SQUID 振荡恢复为传统正弦形式，排除了结不对称性作为节点抬升的原因。
• 单结衍射图案中的有限节点电流表明存在异常超导电流贡献，可能来自马约拉纳束缚态。
• 非正弦与传统电流-相位关系的共存与多个 Andreev 界态通道的存在一致。
• 数据并未明确证实马约拉纳束缚态的存在，但与之相容，同时不排除非均匀性贡献的可能性。