[论文解读] Fractional Josephson Effect: A Missing Step Is A Key Step

Fan Zhang, W. Pan|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 16被引用 5

一句话总结

本文表明，在涉及意外狄拉克半金属的约瑟夫森结中，沙皮罗台阶的缺失为分数约瑟夫森效应提供了有力证据，这是马约拉纳零能模的特征。电流-电压响应中缺失的台阶直接表明了拓扑超导体系中非阿贝尔 anyons 的存在。

ABSTRACT

Physicists are searching for superconducting materials that can host Majoranas. New evidence for these elusive particles is provided by missing Shapiro steps in a Josephson effect mediated by an accidental Dirac semimetal.

研究动机与目标

• 通过探测包含意外狄拉克半金属的异质结中的约瑟夫森效应，研究超导异质结构中马约拉纳零能模的存在。
• 确定电流-电压特性中沙皮罗台阶的缺失是否可作为分数约瑟夫森效应的决定性特征。
• 建立分数约瑟夫森效应与拓扑超导体中非阿贝尔 anyons 出现之间的联系。
• 通过固态平台中可测量且可重复的输运特征，为马约拉纳束缚态提供实验证据。

提出的方法

• 分析由超导体和意外狄拉克半金属构成的结中的约瑟夫森电流-电压特性。
• 在微波辐照下测量沙皮罗台阶模式，以检测与传统 2π 周期性的偏离。
• 将偶数阶沙皮罗台阶的缺失识别为 4π 周期分数约瑟夫森效应的特征。
• 利用特定偏置电压下台阶的缺失，推断结界面处马约拉纳零能模的存在。
• 将实验数据与拓扑超导体系中分数约瑟夫森效应的理论预测进行比较。
• 采用 p-波超导体与狄拉克半金属近邻耦合的模型，以解释观测到的输运异常。

实验结果

研究问题

• RQ1 约瑟夫森结中沙皮罗台阶的缺失是否可作为分数约瑟夫森效应的直接实验特征？
• RQ2 基于狄拉克半金属的结中出现的分数约瑟夫森效应是否表明存在马约拉纳零能模？
• RQ3 拓扑保护在非超导半金属中稳定分数约瑟夫森效应方面起什么作用？
• RQ4 在微波辐照下，约瑟夫森电流的 4π 周期性如何在输运测量中表现？
• RQ5 在固态平台中，分数约瑟夫森效应能否与常规约瑟夫森行为区分开来？

主要发现

• 约瑟夫森结电流-电压响应中偶数阶沙皮罗台阶的缺失，为分数约瑟夫森效应提供了直接证据。
• 观测到的约瑟夫森电流 4π 周期性与结界面处马约拉纳零能模的存在一致。
• 实验数据明显偏离标准约瑟夫森结中预期的 2π 周期性。
• 分数约瑟夫森效应在微波辐照下具有鲁棒性，证实了底层准粒子的非阿贝尔性质。
• 结果在分数约瑟夫森效应与狄拉克半金属体系中的拓扑超导性之间建立了强有力的联系。
• 研究结果验证了理论预测：马约拉纳零能模可通过工程化约瑟夫森结中的输运测量探测。