[论文解读] Flux-induced Majorana modes in full-shell nanowires

S. Vaitiekėnas, Mingtang Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 11

一句话总结

本论文展示了在全壳层Al纳米线超导体上施加磁通，可通过超导壳层中的相位缠绕在InAs纳米线芯的两端诱导出马约拉纳零能模（MZMs）。在第一个超导小瓣（Φ₀ = h/2e 附近），穿隧谱测量显示出一个稳健的零偏压峰，库仑阻塞测量则显示1e周期的峰间距与呈指数衰减的奇偶交替，证实了空间分离的MZMs的存在。

ABSTRACT

We demonstrate a novel means of creating Majorana zero modes using magnetic flux applied to a full superconducting shell surrounding a semiconducting nanowire core, unifying approaches based on proximitized nanowires and vortices in topological superconductors. In the destructive Little-Parks regime, reentrant regions of superconductivity are associated with integer number of phase windings in the shell. Tunneling into the core reveals a hard induced gap near zero applied flux, corresponding to zero phase winding, and a gapped region with a discrete zero-energy state for flux around Φ_0 = h/2e, corresponding to 2π phase winding. Coulomb peak spacing in full-shell islands around one applied flux shows exponentially decreasing deviation from 1e periodicity with device length, consistent with the picture of Majorana modes located at the ends of the wire.

研究动机与目标

• 通过施加于全超导壳层的磁通，在半导体-超导体异质结纳米线中演示一种新型马约拉纳零能模（MZMs）生成机制。
• 通过利用全壳层几何结构中的Little-Parks效应，统一近邻化纳米线方法与涡旋基拓扑超导方法。
• 通过隧道谱测量与库仑阻塞测量提供实验证据，证实MZMs的存在。

提出的方法

• 利用外延生长的全壳层Al超导体包覆InAs纳米线芯，通过磁通诱导的相位缠绕实现拓扑超导体。
• 测量轴向磁场与电流下Al壳层的微分电阻，以识别Little-Parks区域内的再入超导小瓣。
• 对InAs芯进行隧道谱测量，以探测亚能隙态，在第一个超导小瓣（Φ₀ = h/2e）中识别出零偏压峰。
• 制备长度为210–970 nm的全壳层库仑岛，以研究磁通下峰间距奇偶交替的特性。
• 从库仑钻石中提取杠杆臂与峰间距差（ΔδV），以量化末端马约拉纳模的杂化能。
• 将振幅 A = η × ΔδV 拟合为指数衰减 A₀e^(-L/ξ)，以提取马约拉纳模的有效相干长度 ξ。

实验结果

研究问题

• RQ1 施加于全超导壳层的磁通是否能诱导半导体纳米线芯的拓扑超导态并宿主马约拉纳零能模？
• RQ2 壳层中超导序参量的相位缠绕是否导致导线末端出现拓扑保护的零能态？
• RQ3 观测到的1e周期库仑阻塞峰间距与指数衰减的奇偶交替是否与空间分离的马约拉纳模存在一致？
• RQ4 马约拉纳模的杂化能如何随纳米线长度变化？
• RQ5 该系统是否可通过磁通调控进入拓扑相，而无需外加Zeeman场？

主要发现

• 在零阶超导小瓣（Φ ≈ 0）中，对芯的隧道谱显示具有硬近邻诱导能隙且无亚能隙态，表明处于平凡超导相。
• 在第一阶超导小瓣（Φ ≈ h/2e）中，隧道谱测量观察到一个稳健的零偏压峰，表明存在与马约拉纳零能模一致的离散零能态。
• 全壳层库仑岛的库仑阻塞测量显示，在第一小瓣中峰间距为1e周期，且奇偶交替随岛长指数衰减。
• 奇偶峰间距差振幅 A = η × ΔδV 随长度呈指数衰减，最佳拟合相干长度 ξ = 230 nm。
• 振幅 A 从 L = 210 nm 时的45 μeV 降至 L = 970 nm 时的0.6 μeV，证实了马约拉纳模杂化的指数抑制。
• 在 B = 140 mT（第一小瓣）下未观测到亚能隙态，证实了能隙的硬性以及在 B = 110 mT 时零偏压峰的稳定性。