[论文解读] Parity-preserving and magnetic field resilient superconductivity in indium antimonide nanowires with tin shells

Mihir Pendharkar, B. Zhang+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本研究在外延生长的锡壳包覆的InSb纳米线中，实现了600–700 μeV的硬超导能隙以及高达4 T的磁场耐受性，实现了Sn岛中保持宇称不变的2e电荷填充，这是拓扑量子比特和Transmon量子比特的关键特征。这些成果源于原子氢清洗、低温下Sn蒸发以及即时AlOₓ钝化，实现了无需完美界面或单周期生长的稳定超导性。

ABSTRACT

We study bottom-up grown semiconductor indium antimonide nanowires that are coated with shells of tin. The shells are uniform in thickness. The interface between Sn and InSb is abrupt and without interdiffusion. Devices for transport are prepared by in-situ shadowing of nanowires using nearby nanowires as well as flakes, resulting in etch-free junctions. Tin is found to induce a hard superconducting gap in the range 600-700 micro-eV. Superconductivity persists up to 4 T in magnetic field. A tin island exhibits the coveted two-electron charging effect, a hallmark of charge parity stability. The findings open avenues for superconducting and topological quantum circuits based on new superconductor-semiconductor combinations.

研究动机与目标

• 开发一种基于锡的超导体-半导体异质结构系统，作为铝的替代方案，用于拓扑量子计算。
• 在无需外延或无缺陷界面的条件下，实现在InSb纳米线中的硬超导能隙及高磁场耐受性。
• 在Sn岛中展示2e周期性电荷填充，这是电荷宇称稳定性的关键特征，对实现长寿命量子比特至关重要。
• 识别实现非传统超导体-半导体系统中高保真度超导耦合的关键界面工程协议。
• 探索Sn/InSb作为具备增强退相干抗性的Transmon与Majorana基量子比特平台的可行性。

提出的方法

• 通过气相-液相-固相外延法在InSb (111)B或InP (100)衬底上，使用金催化剂和选择性区域掩膜生长InSb纳米线。
• 在380 °C下于H₂气氛（5×10⁻⁶ Torr）中进行原子氢清洗，以在Sn沉积前去除天然InSb氧化物。
• 通过60°蒸发角在85 K（−188 °C）下蒸发15 nm厚的锡壳，实现原位阴影效应与均匀覆盖。
• 在室温下通过电子束蒸发立即沉积3 nm厚的AlOₓ钝化层，以在生长后钝化Sn/InSb界面。
• 通过电子束光刻在Si/SiO₂衬底上制造器件，并使用纳米线或薄片的原位阴影效应形成无刻蚀结。
• 在30 mK的稀释制冷机中通过锁相与直流技术进行输运测量，并应用串联电阻校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 锡是否能在无需外延或无缺陷界面的条件下，在InSb纳米线中诱导出硬超导能隙？
• RQ2 Sn/InSb超导性在高磁场下的持久性如何？其磁场耐受性是否优于铝基系统？
• RQ3 Sn壳是否支持2e周期性电荷填充，这是超导岛中宇称稳定性的重要标志？
• RQ4 在非铝系系统中，实现高质量、高鲁棒性超导耦合的关键界面制备协议是什么？
• RQ5 Sn/InSb平台是否能支持拓扑超导性，并可作为Al/InSb在Majorana基量子比特中的可行替代方案？

主要发现

• 通过隧道谱证实，在具有15 nm锡壳的InSb纳米线中诱导出600–700 μeV的硬超导能隙。
• 超导性在高达4 T的磁场下依然保持，与铝基系统相比表现出卓越的磁场耐受性。
• 小尺寸Sn岛表现出清晰的2e周期性电荷填充行为，证实了电荷宇称稳定性与长准粒子寿命。
• 透射电镜与能谱分析（EDS）确认Sn-InSb界面无明显氧化，尽管已排除互扩散的可能性。
• 原子氢清洗、85 K低温下Sn蒸发以及即时AlOₓ钝化被确定为实现高质量超导耦合的关键步骤。
• 结果表明，外延对齐或单周期生长并非实现鲁棒诱导超导性的必要条件，从而拓展了量子电路的材料设计空间。