[论文解读] Highly skewed current-phase relation in superconductor-topological insulator-superconductor Josephson junctions

Morteza Kayyalha, Alexander Kazakov+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用 38

一句话总结

本研究展示了基于BiSbTeSe2的超导体-拓扑绝缘体-超导体（S-TI-S）约瑟夫森结中高度非对称、非正弦的电流-相位关系（CPR），表明通过拓扑表面态（TSS）实现了近乎弹道的超导输运。在低温下增强、在电荷中性点附近减弱的CPR非对称性，可通过一个理论模型解释：该模型考虑了TSS波函数在整个TI周长上的延伸以及有限电极宽度的影响，实验与理论结果高度吻合。

ABSTRACT

Three-dimensional topological insulators (TI's) in proximity with superconductors are expected to exhibit exotic phenomena such as topological superconductivity (TSC) and Majorana bound states (MBS), which may have applications in topological quantum computation. In superconductor-TI-superconductor Josephson junctions, the supercurrent versus the phase difference between the superconductors, referred to as the current-phase relation (CPR), reveals important information including the nature of the superconducting transport. Here, we study the induced superconductivity in gate-tunable Josephson junctions (JJs) made from topological insulator BiSbTeSe2 with superconducting Nb electrodes. We observe highly skewed (non-sinusoidal) CPR in these junctions. The critical current, or the magnitude of the CPR, increases with decreasing temperature down to the lowest accessible temperature (T ~ 20 mK), revealing the existence of low-energy modes in our junctions. The gate dependence shows that close to the Dirac point the CPR becomes less skewed, indicating the transport is more diffusive, most likely due to the presence of electron/hole puddles and charge inhomogeneity. Our experiments provide strong evidence that superconductivity is induced in the highly ballistic topological surface states (TSS) in our gate-tunable TI- based JJs. Furthermore, the measured CPR is in good agreement with the prediction of a model which calculates the phase dependent eigenstate energies in our system, considering the finite width of the electrodes as well as the TSS wave functions extending over the entire circumference of the TI.

研究动机与目标

• 研究门调控型超导体-拓扑绝缘体-超导体（S-TI-S）约瑟夫森结中超电流输运的性质。
• 确定在拓扑表面态（TSS）中诱导的超导性是否会导致如拓扑模型所预测的非正弦、非对称的电流-相位关系（CPR）。
• 探究栅压与温度对CPR的影响，以区分弹道与扩散输运机制。
• 建立一个理论模型，通过考虑TSS波函数在整个TI周长上的延伸以及有限电极几何形状，解释观测到的CPR。
• 通过测量CPR中低能模态，提供拓扑超导性及潜在马约拉纳束缚态存在的证据。

提出的方法

• 在SiO2/Si背栅基底上，利用机械剥离的BiSbTeSe2薄片制备了门调控型S-TI-S约瑟夫森结，并使用Nb电极。
• 采用非对称超导量子干涉装置（SQUID）测量CPR，利用具有正弦CPR的参考结提取S-TI-S结的未知CPR。
• 测量了临界电流与CPR随温度（低至20 mK）和背栅电压（𝑉g）的变化，揭示了温度依赖的非饱和性与栅压依赖的非对称性。
• 基于弹道TSS中的诱导超导性，建立了理论模型，计算了作为相位差（𝜑）函数的本征态能量，同时考虑了有限电极宽度与波函数在整个周长上的延伸。
• 利用微扰理论解释了在完整0 ≤ 𝜑 < 2𝜋范围内延伸的亚能隙低能模态的存在，其能量尺度约为体能隙的~0.1倍。
• 通过有效横向通道数（𝑁eff ~ 19，样品A；~46，样品B）校准模型，以匹配实验测得的临界电流幅值。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结中，超导输运是否表现出非正弦、非对称的电流-相位关系（CPR），从而指示弹道TSS输运？
• RQ2 CPR如何随温度与栅压演化？这揭示了在狄拉克点附近输运机制（弹道 vs. 扩散）的何种信息？
• RQ3 受拓扑对称性保护的低能Andreev束缚态在观测到的CPR与临界电流行为中贡献程度如何？
• RQ4 是否能通过一个包含TSS波函数在整个TI周长上延伸以及有限电极几何形状的理论模型，定量再现测量到的CPR？
• RQ5 为何在电荷中性点附近CPR更趋正弦？电子-空穴液滴与电荷非均匀性在抑制非对称性中起何种作用？

主要发现

• 在BiSbTeSe2基S-TI-S结中测得的CPR高度非对称（非正弦），在20 mK时非对称参数𝑇𝐻𝐷 = 0.46，与理论弹道极限（𝑇𝐻𝐷 = 0.55）相差仅20%，表明近乎弹道的超导输运。
• 临界电流在低至20 mK下仍未饱和，表明存在能量~0.1ΔJ的极低能模态，与理论预测的在整个相位范围内延伸的亚能隙态一致。
• 在电荷中性点（CNP）附近，CPR变得不那么非对称且更趋正弦，表明由于电子-空穴液滴与电荷非均匀性，输运机制转变为扩散输运。
• 基于TSS波函数在整个TI周长上延伸以及有限电极宽度的理论CPR计算结果与实验数据高度吻合，尤其在低栅压下表现优异。
• 有效横向通道数𝑁eff为~19（样品A，𝑊 ~ 2 µm，𝑡 ~ 40 nm）和~46（样品B，𝑊 ~ 4 µm，𝑡 ~ 13 nm），表明其强烈依赖于器件几何结构与载流子密度。
• 在样品B（更薄的TI）的零栅压处，理论与实验的偏差归因于在CNP附近由杂化诱导能隙与无序引起的效应，这些未包含在理想弹道模型中。