[论文解读] Large zero bias peaks and dips in a four-terminal thin InAs-Al nanowire device

Huading Song, Zitong Zhang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用 6

一句话总结

本研究报道了一种四端口、薄层 InAs-Al 纳米线器件中存在显著的零偏压峰（ZBPs）与零偏压谷（ZBDs），在栅压与磁场调控下，电导值稳定保持在接近 $2e^2/h$ 的量子化值附近。通过四端口设计消除接触电阻的影响，作者观察到 ZBPs 与 ZBDs 之间平滑的转变过程，同时电导值仍保持在接近量子化值的稳健状态，表明在无序与平滑势垒变化影响下的拓扑平凡态中，可能存在准马约拉纳零能模。

ABSTRACT

We report electron transport studies of a thin InAs-Al hybrid semiconductor-superconductor nanowire device using a four-terminal design. Compared to previous works, thinner InAs nanowire (diameter less than 40 nm) is expected to reach fewer sub-band regime. The four-terminal device design excludes electrode contact resistance, an unknown value which has inevitably affected previously reported device conductance. Using tunneling spectroscopy, we find large zero-bias peaks (ZBPs) in differential conductance on the order of $2e^2/h$. Investigating the ZBP evolution by sweeping various gate voltages and magnetic field, we find a transition between a zero-bias peak and a zero-bias dip while the zero-bias conductance sticks close to $2e^2/h$. We discuss a topologically trivial interpretation involving disorder, smooth potential variation and quasi-Majorana zero modes.

研究动机与目标

• 通过采用四端口器件结构，消除接触电阻带来的系统性误差，以实现对马约拉纳零能模（MZM）探测的优化。
• 研究在薄层 InAs-Al 纳米线中出现大尺寸零偏压峰（ZBPs）且电导接近 $2e^2/h$ 的成因。
• 探索在保持电导接近量子化值的前提下，零偏压峰与零偏压谷之间的转变行为。
• 评估无序与平滑势垒变化在生成量子化 ZBPs 中的作用，可能模拟出拓扑 MZMs 的行为。
• 为未来优化混合纳米线器件中实现更佳量子化、更平坦的电导平台提供实验平台。

提出的方法

• 采用四端口器件结构，分离源极与漏极接触，从而消除电极接触电阻带来的不确定性。
• 利用隧穿谱学测量微分电导（$dI/dV$）随栅压（$V_{TG}$, $V_{BG}$）与磁场（$B$）的变化关系。
• 测量在栅压与磁场参数下的零偏压电导图，以识别 ZBP 与 ZBD 特征。
• 分析栅压扫描数据中的平台状行为，包括围绕 $2e^2/h$ 的电导均值与标准差。
• 采用精细调控的栅压路径（$V_{BG}$ 与 $V_{TG}$）以隔离并解析具有平台状 ZBPs 的“红岛”区域。
• 通过 $dI/dV$ 的线切剖面分析，检查零偏压谷与电导中微小准周期振荡的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在四端口薄层 InAs-Al 纳米线器件中，能否稳健观测到电导接近 $2e^2/h$ 的大尺寸零偏压峰？
• RQ2 在磁场与栅压调控下，当零偏压峰与谷发生转变时，电导是否仍保持在接近 $2e^2/h$ 的量子化值？
• RQ3 在拓扑平凡系统中，无序与平滑势垒变化在多大程度上可产生类似马约拉纳零能模的量子化 ZBPs？
• RQ4 在不同栅压与磁场配置下，观测到的 ZBP 与 ZBD 特征如何对比？
• RQ5 偏压-栅压扫描中，小尺寸准周期振荡与类钻石形特征的起源是什么？

主要发现

• 器件表现出显著的零偏压峰（ZBPs），其电导值可达 $2e^2/h$，并通过四端口结构下的隧穿谱学测量得到确认。
• 在磁场调控下，观察到零偏压峰与谷之间平滑的转变过程，且零偏压电导值保持接近 $2e^2/h$。
• 在 0.85 T 磁场下，栅压范围从 -3.323 V 到 -2.963 V 内，零偏压电导值保持在 $1.05 \pm 0.06$（以 $2e^2/h$ 为单位），表明存在平台状特征。
• 在另一组独立数据中，零偏压谷（ZBDs）伴随显著电荷跳跃现象出现，但通过精细调控的栅压扫描，仍可分辨出电导值为 $1.05 \pm 0.06$（以 $2e^2/h$ 为单位）的“平台状”区域。
• 在 $dI/dV$ 线切剖面中，观测到尺寸约为 0.2 mV 或更小的类钻石形结构的微小准周期振荡，可能与短纳米线量子点中的库仑阻塞有关。
• 数据表明，由无序与平滑势垒变化引发的准马约拉纳零能模，可在拓扑平凡系统中产生量子化的 ZBPs。