[论文解读] Signatures of a topological phase transition in a planar Josephson junction

A. Banerjee, O. Lesser+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究通过双量子点接触（QPC）探测结的两端，在外延生长的InAs/Al异质结基平面约瑟夫森结中，展示了拓扑相变的特征。超导能隙的关闭与重新打开，伴随能隙重新打开后出现稳定的零偏压电导峰（ZBCP），为拓扑相变提供了有力证据，且在受控平面磁场和栅压调制下，两端表现出一致的行为。

ABSTRACT

A growing body of work suggests that planar Josephson junctions fabricated using superconducting hybrid materials provide a highly controllable route toward one-dimensional topological superconductivity. Among the experimental controls are in-plane magnetic field, phase difference across the junction, and carrier density set by electrostatic gate voltages. Here, we investigate planar Josephson junctions with an improved design based on an epitaxial InAs/Al heterostructure, embedded in a superconducting loop, probed with integrated quantum point contacts (QPCs) at both ends of the junction. For particular ranges of in-plane field and gate voltages, a closing and reopening of the superconducting gap is observed, along with a zero-bias conductance peak (ZBCP) that appears upon reopening of the gap. Consistency with a simple theoretical model supports the interpretation of a topological phase transition. While gap closings and reopenings generally occurred together at the two ends of the junction, the height, shape, and even presence of ZBCPs typically differed between the ends, presumably due to disorder and variation of couplings to local probes.

研究动机与目标

• 通过可调参数的可控平台，检测并表征平面约瑟夫森结中的拓扑相变。
• 研究平面磁场、相位差与栅压之间在诱导拓扑超导性中的相互作用。
• 通过集成的量子点接触（QPC）同时探测结的两端，以提高检测灵敏度与一致性。
• 建立实验特征——特别是能隙关闭/重新打开与ZBCP形成——与拓扑相变的一致性。
• 评估无序与探针耦合差异对马约拉纳零能模的空间分布与稳定性的影响。

提出的方法

• 利用外延生长的InAs/Al异质结制造平面约瑟夫森结，通过外部磁通实现相位偏置的超导环。
• 在结的两端集成量子点接触（QPC），实现具有独立栅控的局域隧穿谱测量。
• 施加平面磁场（B∥）与静电栅压（V1），将系统调制至拓扑相与平凡相。
• 同时测量两端的微分电导（dI/dV），以检测能隙演化与ZBCP形成。
• 在零偏压下采用三次谐波电流检测（I3ω）确认ZBCP的存在，正信号表明存在亚能隙态。
• 在另一器件上进行霍尔条带测量，以提取电子迁移率与平均自由程，支持二维电子气的质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过双探针隧穿谱在平面约瑟夫森结中实验检测到拓扑相变？
• RQ2 随着平面磁场与栅压的变化，超导能隙与零偏压电导峰如何演化？
• RQ3 能隙关闭与重新打开、ZBCP形成在结的两端之间的相关性程度如何？
• RQ4 无序与QPC探针不对称耦合在观测到的ZBCP高度、形状与稳定性中起什么作用？
• RQ5 三次谐波电流测量能否提供一种鲁棒、背景不敏感的马约拉纳零能模特征？

主要发现

• 在B∥ ≈ 0.45 T时，结的两端均观察到超导能隙的关闭与重新打开，且能隙在结上同时关闭。
• 在B∥ = 0.3 T时，能隙重新打开后，两端均出现稳定的零偏压电导峰（ZBCP），并在一系列相位偏置下持续存在。
• 在B∥ = 0.3 T时，两端均观测到ZBCP，且三次谐波电流信号为正，表明存在稳健的亚能隙态，与马约拉纳零能模一致。
• 在顶部与底部，产生正三次谐波信号的栅压空间比例分别为PZ,T ≈ 11%与PZ,B ≈ 13%，表明ZBCP形成具有非均匀但可观测的特性。
• 底部端的ZBCP仅在能隙重新打开后出现，表明该端拓扑态的出现存在延迟，可能由于局部无序或耦合差异所致。
• 霍尔测量显示电子迁移率μe ≈ 1.5 × 10⁴ cm²/V·s与平均自由程le ≈ 100 nm，表明二维电子气质量优良，适合开展拓扑研究。