[论文解读] InSbAs Two-Dimensional Electron Gases as a Platform for Topological Superconductivity

Christian M. Moehle, Chung Ting Ke+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用 57

一句话总结

该论文表明，通过原位外延生长铝，具有可调自旋-轨道耦合和大g因子的InSbAs二维电子气（2DEG）可形成一种稳健的拓扑超导平台。该异质结构表现出硬超导能隙，并支持相位可控约瑟夫森结、超导量子点及准一维结构的稳定运行——这些是探测马约拉纳零能模的关键器件架构。

ABSTRACT

<p>Topological superconductivity can be engineered in semiconductors with strong spin-orbit interaction coupled to a superconductor. Experimental advances in this field have often been triggered by the development of new hybrid material systems. Among these, two-dimensional electron gases (2DEGs) are of particular interest due to their inherent design flexibility and scalability. Here, we discuss results on a 2D platform based on a ternary 2DEG (InSbAs) coupled to in situ grown aluminum. The spin-orbit coupling in these 2DEGs can be tuned with the As concentration, reaching values up to 400 meV Å, thus exceeding typical values measured in its binary constituents. In addition to a large Landé g-factor of ∼55 (comparable to that of InSb), we show that the clean superconductor-semiconductor interface leads to a hard induced superconducting gap. Using this new platform, we demonstrate the basic operation of phase-controllable Josephson junctions, superconducting islands, and quasi-1D systems, prototypical device geometries used to study Majorana zero modes. </p>

研究动机与目标

• 开发一种具有增强自旋-轨道耦合和大g因子的异质2DEG-超导平台，以实现拓扑超导。
• 通过使用具有清洁原位Al界面的三元InSbAs 2DEG，克服InSb中较差的超导近邻效应问题。
• 展示适用于探测马约拉纳零能模的典型拓扑器件架构——相位可控约瑟夫森结、超导量子点及准一维系统。
• 通过三元2DEG系统中完美的半导体-超导界面，实现硬诱导超导能隙。

提出的方法

• 利用分子束外延在GaAs衬底上生长InSb1−xAsx 2DEG，精确控制As浓度（x = 0 至 0.240）。
• 在半导体外延生长后立即原位沉积7 nm铝层，以确保界面清洁且质量优异。
• 使用2 ML InAs屏蔽层以防止互扩散并维持界面质量。
• 制备霍尔条带和背栅器件以调节电子密度并测量输运特性。
• 在300 mK下施加磁阻测量，通过弱反局域化（WAL）拟合结合Iordanskii-Lyanda-Geller-Pikus（ILP）模型提取自旋-轨道耦合参数。
• 在相位可控约瑟夫森结、超导量子点及准一维超导条带中应用隧穿谱学与微分电导图谱，探测Andreev束缚态及潜在的马约拉纳零能模。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过调节As浓度，InSbAs 2DEG能否实现强于InAs或InSb的自旋-轨道耦合？
• RQ2 在InSbAs 2DEG上原位生长Al是否能产生适合拓扑超导的硬超导能隙？
• RQ3 该异质结构能否稳定运行典型的拓扑器件架构——相位可控约瑟夫森结、超导量子点及准一维结构？
• RQ4 g因子与自旋-轨道耦合在实验可实现磁场下促成拓扑态的机制是什么？

主要发现

• InSbAs 2DEG中的线性Rashba自旋-轨道参数最高达400 meV·Å，显著超过InSb（~100 meV·Å）和InAs。
• 测得大g因子约为55，与InSb相当，有利于在低磁场下进入拓扑态。
• 洁净的Al/InSbAs界面实现了硬诱导超导能隙，经光谱测量证实。
• 相位可控约瑟夫森结表现出清晰的磁通依赖能隙调制，与Andreev束缚态一致。
• 超导量子点在零偏压下呈现2e周期的库仑振荡，表明Cooper对的相干输运。
• 准一维超导条带在平行磁场约0.7 T时出现零能态，可能是马约拉纳零能模的潜在信号。