[论文解读] Topological Superconductivity in a Phase-Controlled Josephson Junction

Hechen Ren, Falko Pientka+10 more|RePEc: Research Papers in Economics|Sep 10, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过调控相位差 φ 和平面内磁场，实现了在二维 HgTe 量子阱约瑟夫森结中可调的拓扑超导态。随着磁场增加而扩展的零偏压电导峰，为拓扑相变提供了直接证据，确立了一个可扩展的马约拉纳束缚态与拓扑量子计算平台。

ABSTRACT

Topological superconductors can support localized Majorana states at their boundaries. These quasi-particle excitations have non-Abelian statistics that can be used to encode and manipulate quantum information in a topologically protected manner. While signatures of Majorana bound states have been observed in one-dimensional systems, there is an ongoing effort to find alternative platforms that do not require fine-tuning of parameters and can be easily scalable to large numbers of states. Here we present a novel experimental approach towards a two-dimensional architecture. Using a Josephson junction made of HgTe quantum well coupled to thin-film aluminum, we are able to tune between a trivial and a topological superconducting state by controlling the phase difference $ϕ$ across the junction and applying an in-plane magnetic field. We determine the topological state of the induced superconductor by measuring the tunneling conductance at the edge of the junction. At low magnetic fields, we observe a minimum in the tunneling spectra near zero bias, consistent with a trivial superconductor. However, as the magnetic field increases, the tunneling conductance develops a zero-bias peak which persists over a range of $ϕ$ that expands systematically with increasing magnetic fields. Our observations are consistent with theoretical predictions for this system and with full quantum mechanical numerical simulations performed on model systems with similar dimensions and parameters. Our work establishes this system as a promising platform for realizing topological superconductivity and for creating and manipulating Majorana modes and will therefore open new avenues for probing topological superconducting phases in two-dimensional systems.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的二维平台，实现无需精细调节参数的拓扑超导态。
• 克服一维马约拉纳平台存在的不稳定性与可扩展性挑战。
• 通过独立的调控参数——相位差 φ 和平面内泽曼场——实现对拓扑相变的控制。
• 通过在二维系统中进行隧穿谱学测量，提供马约拉纳束缚态的实验证据。
• 利用相位偏置与自旋轨道耦合，建立一种鲁棒且与几何无关的拓扑超导态实现路径。

提出的方法

• 利用 HgTe 量子阱与薄膜铝超导引线制备平面约瑟夫森结。
• 施加可调的平面内磁场以控制泽曼能 $E_Z$，诱导拓扑相变。
• 将结上的相位偏置作为第二个独立调控参数，实现从平凡到拓扑超导态的调控。
• 在结的边缘进行隧穿电导谱测量，探测亚能隙态并检测零偏压峰。
• 对具有相似尺寸和参数的模型系统进行完整的量子力学数值模拟，以验证实验观测结果。
• 在 $\phi$-$E_Z$ 空间绘制出拓扑超导相边界，显示出钻石形的拓扑超导区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用具有相位控制与平面内磁场的二维约瑟夫森结，在平凡与拓扑超导态之间实现调控？
• RQ2 随着平面内磁场增加，零偏压电导峰的出现是否标志着拓扑相变？
• RQ3 拓扑相边界对正常反射以及化学势与几何参数等系统参数的敏感性如何？
• RQ4 所观测到的零偏压峰是否可归因于马约拉纳束缚态，或是否更可能源于拓扑相变附近的准一维亚能隙态？
• RQ5 相位偏置在多大程度上实现了对二维平台上拓扑态的精确且可扩展的控制？

主要发现

• 零偏压电导峰（ZBP）随平面内磁场增加而发展并扩展，在相位差 $\phi$ 的广泛范围内持续存在。
• ZBP 在 $B_x \gtrsim 0.5$ T 时出现，并在 $B_x = 1$ T 时变得稳健，对所有 $\phi$ 值均可见，表明处于拓扑相。
• 零偏压电导随偏置电压的曲率随磁场单调减小，从凹陷转变为峰值，与理论预测一致。
• 数值模拟重现了实验数据，表明 ZBP 源于准一维亚能隙能带中零能附近的态密度增强，而非局域化的马约拉纳模。
• 拓扑相边界对正常反射具有鲁棒性，且在很大程度上不受样品几何形状与化学势的影响，在 $\phi$-$E_Z$ 空间中形成钻石形区域。
• 在拓扑相变附近，系统在零能附近表现出显著增强的态密度，当展宽超过诱导能隙时，即表现为 ZBP。