[论文解读] Observation of Majorana Fermions in a Nb-InSb Nanowire-Nb Hybrid Quantum Device

M. T. Deng, Chunlin Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2012

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用 636

一句话总结

本研究报告在Nb-InSb纳米线-Nb混合量子器件中实验观测到马约拉纳费米子，其中近邻诱导的超导性和外加磁场产生的Zeeman场使系统进入非平庸拓扑超导相。在0.9–2.6 T范围内，一个与栅压相关且在更高磁场下被抑制的稳健零偏置电导平台，为纳米线两端马约拉纳束缚态的存在提供了有力证据。

ABSTRACT

We report on the observation of excitation of Majorana fermions in a Nb-InSb nanowire quantum dot-Nb hybrid system. The InSb nanowire quantum dot is formed between the two Nb contacts by weak Schottky barriers and is thus in the regime of strong couplings to the contacts. Due to the proximity effect, the InSb nanowire segments covered by superconductor Nb contacts turn to superconductors with a superconducting energy gap $Δ^*$. Under an applied magnetic field larger than a critical value for which the Zeeman energy in the InSb nanowire is $E_z\sim Δ^*$, the entire InSb nanowire is found to be in a nontrivial topological superconductor phase, supporting a pair of Majorana fermions, and Cooper pairs can transport between the superconductor Nb contacts via the Majorana fermion states. This transport process will be suppressed when the applied magnetic field becomes larger than a second critical value at which the transition to a trivial topological superconductor phase occurs in the system. This physical scenario has been observed in our experiment. We have found that the measured zero-bias conductance for our hybrid device shows a conductance plateau in a range of the applied magnetic field in quasi-particle Coulomb blockade regions.

研究动机与目标

• 通过使用混合超导体-半导体纳米线器件，展示一种可扩展的、基于输运的检测马约拉纳费米子的方法。
• 通过采用具有两个Nb接触的约瑟夫森结结构，克服完全超导包裹纳米线中磁场穿透和探测的挑战。
• 建立一个平台，使马约拉纳费米子可通过标准电输运测量在明确的拓扑相中被探测。
• 通过在受控磁场和栅压下观察到的量化零偏置电导平台，验证马约拉纳束缚态的出现。

提出的方法

• 利用电子束光刻、溅射和剥离工艺，制造了Nb-InSb纳米线-Nb约瑟夫森结器件，在InAs/InSb异质结构纳米线的InSb段上定义了80 nm宽的Nb接触。
• 采用(NH₄)₂Sₓ表面化学处理去除天然氧化物，确保Nb与InSb之间具有强近邻耦合。
• 采用背栅结构调节电子密度，并控制两个Nb超导接触之间的相位差。
• 在³He/⁴He稀释制冷机中进行低温输运测量（低至20 mK），以探测微分电导和约瑟夫森电流。
• 施加垂直磁场以诱导Zeeman分裂，并在E_z ≈ Δ*时使系统进入拓扑超导相。
• 分析微分电导和零偏置峰的演化，以识别马约拉纳费米子的特征，包括电导平台和能隙抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以使用标准电输运方法在混合超导体-半导体纳米线器件中实验探测马约拉纳费米子？
• RQ2 在与拓扑超导相变一致的磁场范围内，是否会出现零偏置电导平台？
• RQ3 电导平台如何依赖于栅压和磁场，这对系统的相位相干性和拓扑性质有何含义？
• RQ4 约瑟夫森结结构在克服完全超导接触中Meissner效应的同时，如何实现马约拉纳态的探测？
• RQ5 所观测到的电导特征是否可由非平庸拓扑超导相向平庸拓扑超导相的转变来解释？

主要发现

• 在0.9 T至2.6 T之间的微分电导中观测到稳健的零偏置电导平台，表明存在马约拉纳束缚态。
• 平台高度随背栅电压变化，表明其依赖于两个Nb超导接触之间的相位差。
• 在零磁场下，器件表现出约瑟夫森超导电流和多重Andreev反射，证实了InSb纳米线中近邻诱导的超导性。
• 通过多重Andreev反射特征，实验分辨了Nb的超导能隙（Δ_Nb）和InSb段的能隙（Δ_InSb）。
• 当磁场超过2.6 T时，零偏置电导急剧下降，表明系统过渡到平庸拓扑超导相。
• 超导能隙的演化——在平台边缘几乎消失并在更高磁场下重新打开——与拓扑相变的理论预测相符。