[论文解读] Proximity induced superconductivity in a topological insulator

Philipp Rüßmann, Stefan Blügel|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本计算研究探讨了Nb/Bi2Te3异质结中的近邻诱导超导性，结果表明，拓扑绝缘体自由表面的拓扑表面态（TSS）由于近邻耦合而经历一个稳健的超导能隙，而由电荷转移引起的能带弯曲形成的平凡界面态仅受到微弱的近邻诱导。关键发现是，TSS保持良好的能隙且对费米能级波动具有强鲁棒性，但平凡态中微弱的超导能隙构成了在该平台实现马约拉纳任意子量子比特的瓶颈。

ABSTRACT

Interfacing a topological insulator (TI) with an $s$-wave superconductor (SC) is a promising material platform that offers the possibility to realize a topological superconductor through which Majorana-based topologically protected qubits can be engineered. In our computational study of the prototypical SC/TI interface between Nb and Bi$_2$Te$_3$, we identify the benefits and possible bottlenecks of this potential Majorana material platform. Bringing Nb in contact with the TI film induces charge doping from the SC to the TI, which shifts the Fermi level into the TI conduction band. For thick TI films, this results in band bending leading to the population of trivial TI quantum-well states at the interface. In the superconducting state, we uncover that the topological surface state experiences a sizable superconducting gap-opening at the SC/TI interface, which is furthermore robust against fluctuations of the Fermi energy. We also show that the trivial interface state is only marginally proximitized, potentially obstructing the realization of Majorana-based qubits in this material platform.

研究动机与目标

• 理解SC/TI异质结中界面化学、电子结构与近邻诱导超导性之间的相互作用。
• 识别使用Nb/Bi2Te3作为拓扑超导性和马约拉纳零能模平台的优势与瓶颈。
• 研究Nb/Bi2Te3界面处电荷转移和能带弯曲对拓扑态与平凡态中超导能隙的影响。
• 评估拓扑表面态中诱导超导能隙对费米能级波动的鲁棒性。
• 评估在该材料体系中实现拓扑保护量子比特的可行性。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）和 Bogoliubov-de Gennes（BdG）方法，对Nb/Bi2Te3异质结中的电子结构和超导性进行建模。
• 采用包含六层Nb(111)和2–10个Bi2Te3原胞层的最小结构模型，以模拟SC/TI界面。
• 应用KKR-BdG方法，对电子结构进行真实描述，包括可调的配对势以匹配实验测得的Nb能隙（0.12 mRy）。
• 通过缩放超导能隙以确保在Bi2Te3中能分辨诱导能隙，并通过改变耦合常数测试其鲁棒性。
• 使用AiiDA-KKR插件确保完整的数据溯源和符合FAIR标准的数据共享，所有数据和代码均公开可获取。
• 通过波函数局域化分析和能带结构分析，区分TSS、界面态和体态的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nb向Bi2Te3的电荷转移如何影响拓扑绝缘体的电子结构和超导能隙？
• RQ2 与由能带弯曲形成的平凡界面态相比，拓扑表面态（TSS）的近邻诱导程度如何？
• RQ3 TSS中诱导的超导能隙对费米能级变化的鲁棒性如何？
• RQ4 波函数与超导体的杂化在决定近邻配对强度方面起什么作用？
• RQ5 尽管位于界面，为何平凡界面态仅表现出微弱的超导性？

主要发现

• Bi2Te3自由表面的拓扑表面态（TSS）由于与Nb的近邻耦合而经历显著的超导能隙，且对费米能级波动具有强鲁棒性。
• Nb向Bi2Te3的电荷转移将费米能级移至导带，诱导能带弯曲，并在厚膜中占据界面处的平凡量子阱态。
• 由于能带弯曲而形成的平凡界面态仅受到微弱的近邻诱导，其超导能隙极小。
• TSS中的超导能隙随距离Nb/Bi2Te3界面的增加而呈指数衰减，与近邻效应的预期一致。
• TSS的波函数与Nb区域无重叠，解释了其尽管空间上分离但仍表现出强近邻诱导的原因。
• 结果对耦合常数的变化具有鲁棒性，表明结论不依赖于该近似。