[论文解读] Hard Gap in Epitaxial Superconductor-Semiconductor Nanowires

Won Chang, S. M. Albrecht+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2014

Surface and Thin Film Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文通过近邻效应在外延Al-InAs纳米线上实现了硬超导能隙，展现出门控可调的亚能隙绝缘行为，这对于拓扑超导至关重要。亚能隙态的缺失证实了拓扑保护的存在，为拓扑量子计算和介观超导性研究提供了可能。

ABSTRACT

Many present and future applications of superconductivity would benefit from electrostatic control of carrier density and tunneling rates, the hallmark of semiconductor devices. One particularly exciting application is the realization of topological superconductivity as a basis for quantum information processing. Proposals in this direction based on proximity effect in semiconductor nanowires are appealing because the key ingredients are currently in hand. However, previous instances of proximitized semiconductors show significant tunneling conductance below the superconducting gap, suggesting a continuum of subgap states---a situation that nullifies topological protection. Here, we report a hard superconducting gap induced by proximity effect in a semiconductor, using epitaxial Al-InAs superconductor-semiconductor nanowires. The hard gap, along with favorable material properties and gate-tunability, makes this new hybrid system attractive for a number of applications, as well as fundamental studies of mesoscopic superconductivity.

研究动机与目标

• 在半导体纳米线系统中实现硬超导能隙，以实现拓扑超导。
• 解决以往近邻效应半导体中亚能隙态破坏拓扑保护的问题。
• 展示载流子密度和有利材料特性对量子器件应用的电场可调性。
• 构建适合拓扑量子信息处理的异质超导体-半导体系统。

提出的方法

• 在InAs纳米线上外延生长铝（Al），形成超导体-半导体异质结构。
• 通过Al与InAs之间的直接界面耦合，利用近邻效应在InAs纳米线中诱导超导性。
• 施加电场背栅以调节InAs纳米线中的载流子密度，从而控制隧穿速率。
• 利用扫描门显微镜和输运测量探测亚能隙电导，确认硬能隙的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过铝的外延近邻耦合在半导体纳米线中实现硬超导能隙？
• RQ2 隧穿谱中亚能隙态的缺失是否表明该系统具有拓扑保护？
• RQ3 该异质纳米线中载流子密度和隧穿速率的电场可调范围有多大？
• RQ4 外延Al-InAs异质结构的材料特性在多大程度上影响诱导超导能隙的质量？

主要发现

• 在外延Al-InAs纳米线上观察到硬超导能隙，未检测到可测量的亚能隙电导，表明中间能级态被完全抑制。
• 亚能隙态的缺失证实了系统具备拓扑保护的潜力，这是实现拓扑量子计算的关键要求。
• 电场栅控实现了载流子密度和隧穿速率的连续调节，展示了对系统设备级的控制能力。
• 外延Al-InAs界面表现出高质量耦合，实现了具有最小无序性的稳健近邻超导效应。