[论文解读] Missing odd-order Shapiro steps do not uniquely indicate fractional Josephson effect

Po Zhang, S.R. Mudi+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 9

一句话总结

本研究表明，缺失的奇数阶 Shapiro 步骤——常被视为分数约瑟夫森效应和拓扑超导性的特征标志——可能源自非拓扑机制，如多次 Andreev 反射、Landau-Zener 跃迁以及高质量约瑟夫森结中的自加热效应。作者表明，即使在不存在 Majorana 零能模的情况下，此类步骤抑制现象仍可发生，从而削弱了该特征作为识别拓扑超导性的唯一性依据。

ABSTRACT

Topological superconductivity is expected to spur Majorana zero modes -- exotic states that are also considered a quantum technology asset. Fractional Josephson effect is their manifestation in electronic transport measurements, often under microwave irradiation. A fraction of induced resonances, known as Shapiro steps, should vanish, in a pattern that signifies the presence of Majorana modes. Here we report patterns of Shapiro steps expected in topological Josephson junctions, such as the missing first Shapiro step, or several missing odd-order steps. But our junctions, which are InAs quantum wells with Al contacts, are studied near zero magnetic field, meaning that they are not in the topological regime. We also observe other patterns such as missing even steps and several missing steps in a row, not relevant to topological superconductivity. Potentially responsible for our observations is rounding of not fully developed steps superimposed on non-monotonic resistance versus voltage curves, but several origins may be at play. Our results demonstrate that any single pattern, even striking, cannot uniquely identify topological superconductivity, and a multifactor approach is necessary to unambiguously establish this important phenomenon.

研究动机与目标

• 研究约瑟夫森结中缺失的奇数阶 Shapiro 步骤是否能明确指示分数约瑟夫森效应和拓扑超导性的存在。
• 识别在高质量、拓扑 trivial 的结中可产生类似步骤抑制模式的非拓扑机制。
• 评估多次 Andreev 反射、Landau-Zener 跃迁和自加热在扭曲或抑制 Shapiro 步骤可见性方面的作用。
• 挑战实验设置中认为缺失奇数步是 Majorana 零能模确定性标志的假设。

提出的方法

• 采用纳米线遮罩技术制备了高透明度的 Al/InAs 量子阱约瑟夫森结，以精确控制结的几何结构和界面质量。
• 通过调节微波频率、微波功率和磁通量，开展微波驱动的 Shapiro 步骤测量，以探测非平衡输运行为。
• 分析微分电阻（dV/dI）曲线，识别电阻峰与抑制或缺失的 Shapiro 步骤之间的关联。
• 利用数值模拟建模非单调电阻曲线和非线性对步骤可见性的影响，尤其在低频条件下。
• 通过施加磁通以抑制临界电流并减少热滞后，评估自加热的影响。
• 将实验中的步骤模式与 Landau-Zener 跃迁和分数约瑟夫森动力学的理论预测进行对比，以排除拓扑起源的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高质量约瑟夫森结中，缺失的奇数阶 Shapiro 步骤是否可能在无分数约瑟夫森效应或拓扑超导性的情况下发生？
• RQ2 多次 Andreev 反射峰和非单调电阻曲线在多大程度上抑制或扭曲 Shapiro 步骤的可见性？
• RQ3 在无拓扑相的情况下，Landau-Zener 跃迁和自加热如何导致低阶 Shapiro 步骤的抑制？
• RQ4 相同的步骤抑制模式是否可由非拓扑机制重现，从而削弱其作为 Majorana 零能模唯一标志的可靠性？
• RQ5 微波频率在 Shapiro 步骤的可见性和稳定性中起何种作用，特别是在低电压条件下？

主要发现

• 在微波辐照下，拓扑 trivial 的 Al/InAs 量子阱约瑟夫森结中观察到高达 i=5 的多个奇数阶 Shapiro 步骤缺失。
• 偶数阶步骤也出现抑制，表明步骤损失并非仅与 4π 周期的分数约瑟夫森行为相关。
• 非单调电阻特征——特别是由多次 Andreev 反射引起的特征——被发现会抑制步骤可见性，尤其在低微波频率下更为显著。
• 自加热效应被证实会导致第一和第二 Shapiro 步骤消失，特别是在开关电流附近，其机制是电子温度升高。
• Landau-Zener 跃迁被识别为可能模拟分数约瑟夫森动力学的机制，尽管其在具有多个模式的宽平面结中的相关性仍不明确。
• 施加磁通可降低临界电流并抑制热滞后，使第一 Shapiro 步骤恢复，从而证实自加热在步骤抑制中的关键作用。