Кёльнский университет: в контакте Джозефсона на топологическом изоляторе замечено закрытие щели

Группа Кёльнского университета совместно с теоретиками из Рейнско-Вестфальского технического университета Аахена сообщила о наблюдении мод Андреева с высокой прозрачностью в джозефсоновском контакте на поверхности топологического изолятора. Работа опубликована в Science Advances. Ширина контакта около 50 нанометров, измерения проводились при 50 милликельвинах. В пределах разрешения эксперимента сигнал может указывать на закрытие и повторное открытие энергетической щели doi.orgScience Advancesdoi.orgОткрыть источник ↗.

Устройство и измерения

Контакт образован двумя алюминиевыми полосками на пластинке BiSbTeSe2 толщиной 10–20 нанометров. Полоски заканчиваются на расстоянии около 50 нанометров друг от друга и соединены алюминиевой петлёй, поэтому разность сверхпроводящих фаз задаётся слабым магнитным полем. Два золотых электрода, отделённые от контакта тонким слоем оксида, зондируют энергии состояний внутри него в разных точках. Эксперимент выполнили Якоб Шлюк и Элла Никодем в лаборатории Йоичи Андо; расчёты провела группа Фабиана Хасслера.

Без поля на спектре виден энергетический зазор с двумя пиками по 130 микроэлектронвольт по обе стороны от нуля. По мере того как поле сдвигало фазу к середине периода, пики смещались внутрь и сливались в один широкий пик на нуле. Более сильное поле вновь открывало щель, а картина повторялась каждые 230 микротесла, что соответствовало размерам устройства doi.orgScience Advancesdoi.orgОткрыть источник ↗.

Что подтверждают данные, а что нет

В 2008 году Фу и Кейн предположили, что связь спина с импульсом в поверхностном состоянии гарантирует идеально прозрачные моды Андреева, закрывающие щель при определённой разности фаз doi.orgScience Advancesdoi.orgОткрыть источник ↗. Картина сохранялась при изменении напряжения на затворе от −20 до +20 вольт, что сдвигало энергию поверхностных электронов не менее чем на 40 миллиэлектронвольт. Она воспроизвелась и во втором, почти идентичном устройстве.

В полях 5–6 миллитесла закрытие щели наблюдалось лишь в отдельных точках. Два электрода фиксировали его в разные моменты, что соответствует теоретическим предсказаниям для джозефсоновских вихрей в поверхностном состоянии doi.orgScience Advancesdoi.orgОткрыть источник ↗.

Эксперимент разрешает энергии примерно до 30 микроэлектронвольт, и меньшая щель выглядела бы закрытой. По расчёту авторов, такой сигнал даёт прозрачность 95% и выше. Авторы указывают, что результат согласуется с предсказанием, но не является его доказательством. Паразитное состояние в изолирующем слое дало похожий сигнал в одном из устройств, но лишь при единственном напряжении на затворе. Неупорядоченные контакты тоже могут закрывать щель через несколько открытых каналов, однако авторы считают маловероятным, что это сохранилось бы в таком широком диапазоне напряжений.

Предсказанный переход в топологическое сверхпроводящее состояние не подтверждён. Для его демонстрации нужно улучшить разрешение по энергии и времени; Шлюк назвал это следующим шагом лаборатории Андо.