[论文解读] Fractional AC Josephson effect in a topological insulator proximitized by a self-formed superconductor

Ilan T. Rosen, Christie J. Trimble+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究利用分子束外延生长的三维拓扑绝缘体（Bi2Se3）上自组装形成的Pd-Te超导体，构建了横向约瑟夫森结，在射频辐射下观察到一阶和三阶Shapiro台阶的抑制——这是分数交流约瑟夫森效应的关键特征，可能表明存在4π周期性的电流-相位关系，暗示马约拉纳束缚态的存在。尽管在部分器件中已有强烈证据，但不同样品间结果不一致，且在异质结构Al/Pd-Te器件中未观察到抑制现象，凸显了非平衡物理与界面透射率方面尚未解决的挑战，使得对马约拉纳费米子探测的结论尚难 definitive。

ABSTRACT

A lateral Josephson junction in which the surface of a 3D topological insulator serves as the weak link should support topologically protected excitations related to Majorana fermions. The resulting $4π$-periodic current-phase relationship could be detected under high-frequency excitation by the suppression of odd Shapiro steps. Here, we demonstrate such devices through the self-formation of a Pd-Te superconducting layer from a telluride topological insulator, and observe suppressed first and third Shapiro steps. Other devices, including those where the Pd-Te layer is bolstered by an additional Al layer, show no suppression of Shapiro steps, a difference supported by simulations. Though we rule out the known trivial causes of suppressed Shapiro steps in our devices, we nevertheless argue that corroborating measurements and disorder-aware theoretical descriptions of these systems are needed before confidently claiming the observation of Majorana states.

研究动机与目标

• 通过分子束外延生长的拓扑绝缘体，展示一种可扩展的、晶圆级的拓扑约瑟夫森结平台。
• 研究分数交流约瑟夫森效应作为与马约拉纳束缚态相关的4π周期性电流-相位关系的特征。
• 评估界面透射率与非平衡效应在抑制奇数Shapiro台阶中的作用。
• 解决在异质结构超导体-拓扑绝缘体异质结中探测拓扑马约拉纳模式的可重复性与可靠性挑战。

提出的方法

• 在分子束外延生长的Bi2Se3拓扑绝缘体上，利用自组装形成的Pd-Te超导层制备横向约瑟夫森结。
• 采用原位生长高质量隧穿势垒（BST），随后进行外延制备透明超导接触。
• 通过低频与射频测量，利用Shapiro台阶谱学探测电流-相位关系。
• 利用透射电子显微镜（TEM）表征异质结构的界面质量与结构完整性。
• 在相位偏置的三结结构与磁通偏置环形结构中进行电导谱测量，探测马约拉纳模式的零偏压异常特征。
• 对比具有纯Pd-Te与异质结构Al/Pd-Te盖帽层的器件结果，评估界面透射率与材料质量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结中，利用自组装超导体观测到分数交流约瑟夫森效应？
• RQ2 本系统中奇数Shapiro台阶的抑制在多大程度上反映了4π周期性超导耦合，而非平凡的非平衡效应？
• RQ3 超导体与拓扑绝缘体之间的界面透射率如何影响分数Shapiro台阶的观测？
• RQ4 为何在相似制备工艺下，部分器件显示奇数台阶抑制而另一些则不显示？
• RQ5 所观测到的抑制是否可归因于拓扑马约拉纳束缚态，还是其他非平衡机制更为合理？

主要发现

• 在低功率、低频射频激励下，部分器件中的一阶与三阶Shapiro台阶被抑制，与分数交流约瑟夫森效应及4π周期性电流-相位关系一致。
• 在自组装Pd-Te超导体器件中观察到奇数Shapiro台阶的抑制，表明存在拓扑保护的Andreev束缚态。
• 在额外添加Al盖帽层的器件中未观察到抑制，表明界面透射率与材料质量对结果有显著影响。
• 基于低功率运行与器件稳定性，结果与已知的平凡机制（如焦耳加热或欠阻尼）不符。
• 尽管在部分器件中证据充分，但跨多个样品的可重复性仍较差，对将分数交流约瑟夫森效应作为独立特征的可靠性提出质疑。
• 作者结论认为，需进一步工作以区分4π周期性物理与非平衡效应，并倡导全面数据共享及零偏压电导峰等互补探测手段。