[论文解读] Gate-controlled Supercurrent in Ballistic InSb Nanoflag Josephson Junctions

Sedighe Salimian, Matteo Carrega+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 91被引用 18

一句话总结

本研究展示了在具有Ti/Nb接触的弹道InSb纳米条约瑟夫森结中，通过栅压实现的超导电流调制，在250 mK下获得约50 nA的临界超导电流。器件表现出清晰的亚谐波隙结构和显著的额外电流，表明相位相干且高度透明的界面，确立了InSb纳米条作为拓扑量子器件的有前途平台。

ABSTRACT

High-quality III-V narrow band gap semiconductor materials with strong spin-orbit coupling and large Lande g-factor provide a promising platform for next-generation applications in the field of high-speed electronics, spintronics, and quantum computing. Indium Antimonide (InSb) offers a narrow band gap, high carrier mobility, and a small effective mass, and thus is very appealing in this context. In fact, this material has attracted tremendous attention in recent years for the implementation of topological superconducting states supporting Majorana zero modes. However, high-quality heteroepitaxial two-dimensional (2D) InSb layers are very diffcult to realize owing to the large lattice mismatch with all commonly available semiconductor substrates. An alternative pathway is the growth of free-standing single-crystalline 2D InSb nanostructures, the so-called nanoflags. Here we demonstrate fabrication of ballistic Josephson-junction devices based on InSb nanoflags with Ti/Nb contacts that show gate-tunable proximity-induced supercurrent up to 50 nA at 250 mK and a sizable excess current. The devices show clear signatures of subharmonic gap structures, indicating phase-coherent transport in the junction and a high transparency of the interfaces. This places InSb nanoflags in the spotlight as a versatile and convenient 2D platform for advanced quantum technologies.

研究动机与目标

• 开发高质量、自支撑的二维InSb纳米条（NF），作为无缺陷的量子器件平台。
• 利用InSb NF与Ti/Nb超导接触，制造弹道约瑟夫森结。
• 展示栅压可调的近邻诱导超导电流，并探测结中的输运相干性。
• 通过多次Andreev反射（MAR）特征研究界面的透光率与相干性。
• 确立InSb NF在未来的拓扑超导与Majorana零模研究中的适用性。

提出的方法

• 通过化学束外延（CBE）在锥形InP纳米线基底上生长单晶、自支撑的InSb纳米条。
• 将100 nm厚的InSb NF机械转移至SiO2/Si基底上以进行器件制造。
• 使用10/150 nm的Ti/Nb接触，制造间距为200 nm的约瑟夫森结。
• 在250 mK下通过直流I-V测量和锁相微分电阻（dV/dI）进行电学表征。
• 从测得的I-V曲线数值推导出二维dV/dI图，以识别MAR特征与额外电流。
• 利用BCS理论和Aminov等人提出的界面透光率模型（γB参数）分析MAR谱线与I-V特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 栅压调制能否调节弹道InSb纳米条约瑟夫森结中的超导电流？
• RQ2 亚谐波隙结构所指示的相位相干性与界面透光率程度如何？
• RQ3 InSb NF中诱导的超导隙与Nb的BCS隙相比如何？
• RQ4 额外电流与正常电阻随背栅电压的变化程度如何？
• RQ5 所观测到的输运行为能否证实InSb NF中弹道、近邻诱导的超导性？

主要发现

• 在250 mK下观测到约50 nA的栅压可调超导电流，临界电流在背栅调制下可保持高达50 nA。
• 清晰分辨出亚谐波隙结构（MAR特征），表明具有相位相干输运与高界面透光率。
• 在Vbg = 40 V时测得额外电流为265 ± 12 nA，Ie·Rn = 127 ± 7 µV，与弹道结的理论预期一致。
• 在Vbg从5 V到40 V的范围内，Ie·Rn保持约137 ± 19 µV的恒定值，表明Andreev反射过程具有强鲁棒性。
• 估算的诱导间隙∆*显著小于Nb的BCS间隙（1.28 meV），与通过Ti中间层的近邻效应一致。
• 推导出界面透光率参数γB ≈ 10，表明界面为中等透光率，而MAR特征则表明覆盖区与未覆盖InSb区域之间垂直界面具有高透光率。