[论文解读] Proximity-induced superconductivity generated by thin films: Effects of Fermi surface mismatch and disorder in the superconductor

Tudor D. Stanescu, S. Das Sarma|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 61被引用 19

一句话总结

本文通过三维微观模型和递归格林函数方法，研究了薄超导（SC）薄膜中的无序对半导体（SM）体系中近邻诱导超导性的影响。研究发现，SC无序增强了近邻配对并抑制了其强烈的厚度依赖性，但同时也在SM中诱导了有效无序，从而对拓扑超导性和马约拉纳零能模产生关键影响。

ABSTRACT

We investigate the effects of disorder characterising a superconducting thin film on the proximity-induced superconductivity generated by the film (in, e.g., a semiconductor) based on the exact numerical analysis of a three-dimensional microscopic model. To make the problem numerically tractable, we use a recursive Green's function method in combination with a patching approach that exploits the short-range nature of the interface Green's function in the presence of disorder. As a result of the Fermi surface mismatch between the superconductor (SC) and the semiconductor (SM) in combination with the confinement-induced quantization of the transverse SC modes, the proximity effect induced by a clean SC film is typically one to three orders of magnitude smaller that the corresponding quantity for a bulk SC and exhibits huge thickness-dependent variations. The presence of disorder has competing effects: on the one hand it enhances the proximity-induced superconductivity and suppresses its strong thickness dependence, on the other hand it generates proximity-induced effective disorder in the SM. The effect of proximity-induced disorder on the topological superconducting phase and the associated Majorana modes is studied nonperturbatively.

研究动机与目标

• 理解薄超导薄膜中的无序对邻近半导体中近邻诱导超导性的影响。
• 解决长期以来被忽视的强无序在超导体中的作用，特别是表面无序，其通常远强于半导体无序。
• 研究SC无序与薄膜中费米面失配及有限尺寸量子化的竞争关系，这些因素在无序情况下会严重抑制近邻效应。
• 非微扰地评估近邻诱导无序对拓扑超导性和马约拉纳零能模的影响。
• 对混合SC-SM体系中费米面失配、薄膜厚度与SC无序之间的相互作用提供定量、数值精确的分析。

提出的方法

• 使用三维微观模型描述具有真实参数的SC-SM异质结体系。
• 应用递归格林函数方法数值求解Kitaev型哈密顿量。
• 采用一种“拼接方法”，利用无序体系中界面格林函数的短程特性，使问题在计算上可行。
• 将超导薄膜视为具有横向量子化的有限厚度体系，以捕捉有限尺寸限制的影响。
• 通过能量尺度为10–100 meV的随机势来建模SC中的无序，显著高于诱导SM能隙（~0.1 meV）。
• 对近邻诱导的超导能隙以及Andreev束缚态的出现进行非微扰分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 薄超导薄膜中的无序如何影响半导体中近邻诱导超导性的强度及其厚度依赖性？
• RQ2 与洁净超导体相比，SC无序在多大程度上增强或抑制了近邻效应？
• RQ3 费米面失配与薄SC薄膜中有限尺寸量子化在洁净体系中如何限制近邻效应？
• RQ4 近邻诱导无序对拓扑超导性和马约拉纳零能模稳定性具有何种非微扰效应？
• RQ5 强SC无序的存在是否可以解释实验中观察到的软能隙现象，即使SM界面本身是洁净的？

主要发现

• 与洁净情况相比，超导薄膜中的无序可使近邻诱导的超导能隙增强一到两个数量级。
• SC无序抑制了近邻效应的强烈厚度依赖性，该依赖性在洁净薄膜中仅改变一个原子层厚度即可变化数个数量级。
• SC（E_F ~ 10 eV）与SM（E_F ~ 10–100 meV）之间费米面失配，结合薄膜中的横向量子化，严重抑制了洁净体系中的近邻效应。
• 由SC无序在半导体中诱导的近邻无序，可能破坏拓扑超导性并掩盖马约拉纳零能模的特征。
• 在SC无序存在下，诱导能隙仍保持软隙特性，与实验中观察到的亚能隙态和零偏置电导峰一致。
• 非微扰分析表明，尽管SC无序增强了配对，但也引入了SM中的有效无序，该无序与拓扑保护竞争，限制了实现稳健马约拉纳模的可行性。