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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-532606
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.53260
Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
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Open Access Art: | Primärpublikation |
Datum: | 18 Januar 2023 |
Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Dieter Weiss |
Tag der Prüfung: | 16 November 2022 |
Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Dieter Weiss |
Stichwörter / Keywords: | Josephson junctions, Shapiro steps, Mercury telluride, topological superconductivity, Majorana bound states |
Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik |
Status: | Veröffentlicht |
Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
Dokumenten-ID: | 53260 |
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis describes the studies of Josephson junctions made from topological insulator nanowires. Such nanowires in proximity to conventional superconductors have been proposed as a tunable platform to realize topological superconductivity and Majorana zero modes. The tuning is done using an axial magnetic flux Φ, which allows transforming the system from trivial at Φ=0 to topologically ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis describes the studies of Josephson junctions made from topological insulator nanowires.
Such nanowires in proximity to conventional superconductors have been proposed as a tunable platform to realize topological superconductivity and Majorana zero modes. The tuning is done using an axial magnetic flux Φ, which allows transforming the system from trivial at Φ=0 to topologically nontrivial when half a magnetic flux quantum Φ=Φ₀/2=h/2e penetrates the cross-sectional area of the wire.
In this work, we investigate Josephson junctions based on HgTe nanowires under the influence of a magnetic field. Additionally, we probe the expected transition from trivial to topological superconductivity as a function of the axial magnetic flux.
In an out-of-plane magnetic field, some devices studied show a Fraunhofer pattern, i.e. a modulation of the critical current as a function of the magnetic field. The effects of magnetic flux focusing and spin-orbit interaction are taken into account to agree with the theoretically predicted evolution of the pattern. The absence of the pattern in other devices is explained by bad transmissions of the nanowire/superconductor interface or the extreme thinness of some wires.
For an axial magnetic field, we also observe a modulation of the critical current for devices with low transmissions. Here, the modulations show periodicities of Φ=h/4e or Φ=h/8e. For devices with high transmission, no modulation occurs, and the critical current monotonously decays with the magnetic field. We relate these findings both experimentally and theoretically to the coupling of the superconducting contacts to the topological insulator nanowire. For a high transmission,
all sides of the nanowire become superconducting due to the proximity effect. In contrast, only the interfaces directly covered by the superconductor, i.e. the top and the sides, are proximitized if the average transmission is rather low. Here, different types of transport paths exist while some of them pick up an additional phase induced by the magnetic flux. This additional phase causes a modification of the current-phase relation and, thus, leads to a modulation of the critical current as a function of the magnetic flux.
In Josephson junctions, an indication of emanating Majorana bound states is a 4π-periodic current-phase relation. A convenient way to probe the periodicity of the current-phase relation is the measurement of Shapiro steps. In the trivial situation, all Shapiro steps are visible while the odd steps are supposed to disappear if the current-phase relation is 4π-periodic.
Hence, we probe the Shapiro step spectrum for different microwave frequencies and intensities. From the suppression of odd Shapiro steps, we extract the 4π- and 2π-periodic fraction of the critical current using both a resistively shunted junction (RSJ) and a resistively and capacitively shunted junction (RCSJ) model. The ratio of the 4π-periodic current on the total critical current depends strongly on the axial magnetic flux. While the total critical current decreases with an increasing flux, the ratio changes from approximately 6% at Φ=0 up to a maximum around Φ=Φ₀/2.
The presence of a finite 4π-periodic current at Φ=0 and small magnetic fields is ascribed to Landau-Zener transitions between trivial Andreev bound states causing the 4π-periodic current. A method to distinguish between the trivial and the topological origin of the 4π-periodic currents is achieved by comparing the results for in-plane magnetic fields parallel to the wire as well as perpendicular to the wire. A topological 4π-periodic current is only proposed for the first configuration, while a trivial 4π-periodic current appear for both cases. Thus, our data suggest that the 4π-periodic current, which only appears for parallel magnetic fields ⪎Φ₀/4, is mainly of topological origin. Therefore, our experiments provide an indication for the switching between trivial and topological superconductivity with an axial magnetic flux in topological insulator nanowires.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Arbeit befasst sich mit Experimenten an Josephson Kontakten, die aus HgTe Nanodrähten fabriziert wurden. Solche Nanodrähte in Kombination mit konventionellen Supraleitern sollen topologische Supraleitung ermöglichen. Indem ein magnetischer Fluss Φ entlang des Drahtes angelegt wird, kann das System von einem trivialen bei Φ=0 zu einem topologischen, wenn der Fluss durch die ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Arbeit befasst sich mit Experimenten an Josephson Kontakten, die aus HgTe Nanodrähten fabriziert wurden. Solche Nanodrähte in Kombination mit konventionellen Supraleitern sollen topologische Supraleitung ermöglichen. Indem ein magnetischer Fluss Φ entlang des Drahtes angelegt wird, kann das System von einem trivialen bei Φ=0 zu einem topologischen, wenn der Fluss durch die Querschnittsfläche des Drahtes genau einem halben magnetischen Flussquant Φ=Φ₀/2=h/2 entspricht, geändert werden. In dieser Arbeit werden Josephson Kontakte aus HgTe Nanodrähten unter dem Einfluss eines Magnetfeldes untersucht. Zusätzlich wird der Übergang von trivialer zu topologischer Supraleitung als Funktion des magnetischen Flusses erforscht.
In einem senkrechten Magnetfeld zeigen einige Proben ein Fraunhofer Muster, d.h. eine Modulation des kritischen Stroms als Funktion des Magnetfelds. Hierbei müssen die Effekte von magnetischer Fokussierung und der Spin-Bahn Wechselwirkung beachtet werden, um den Verlauf des Musters zu erklären. Das Nichtauftreten eines Fraunhofer Musters in anderen Proben kann durch schlechte Transparenzen der Nanodraht/Supraleiter Grenzfläche oder der geringen Breiten einiger Drähte erklärt werden.
Für ein Magnetfeld entlang des Drahtes beobachten wir auch eine Modulation des kritischen Stroms; allerdings nur für Proben mit geringer Transparenz. Hierbei beobachten wir Periodizitäten von h/4e oder h/8e. Für Proben mit hoher Transparenz hingegen fällt der kritische Strom monoton mit steigendem Magnetfeld. Wir erklären das dadurch, dass für eine hohe Transparenz der gesamte Nanodraht durch den Kontakt zum angrenzenden Supraleiter selbst supraleitend wird. Dahingegen werden nur die Oberflächen, die direkt an den Supraleiter grenzen, supraleitend, wenn die Transparenz eher gering ist. Hierbei gibt es verschieden Transportpfade, bei denen aufgrund des magnetischen Flusses eine zusätzliche Phase berücksichtigt werden muss. Diese Phase verändert die Strom-Phasen Beziehung und dadurch auch das Verhalten des kritischen Stroms als Funktion des magnetischen Flusses.
Ein Hinweis auf topologische Supraleitung ist eine 4π-periodische Strom-Phasen Beziehung. Eine Möglichkeit die Periodizität der Strom-Phasen Beziehung zu bestimmen ist die Messung von Shapiro Stufen. Im trivialen Fall sind alle Shapiro Stufen sichtbar, wohingegen die ungeraden Stufen fehlen, falls die Strom-Phasen Beziehung 4π-periodisch ist.
Deshalb untersuchen wir Shapiro Stufen in Abhängigkeit der Mikrowellenfrequenz und -intensität. Durch das Verschwinden der ungeraden Stufen bestimmen wir den 4π- und 2π-periodischen Anteil des kritischen Stroms mit Hilfe von zwei verschiedenen theoretischen Modellen. Der Anteil des 4π-periodischen Stroms hängt dabei stark vom angelegten magnetischen Fluss ab. Während der gesamte kritische Strom für einen erhöhten Fluss stark abnimmt, erhöht sich der Anteil des 4π-periodischen Stroms von 6% bei Φ=0 zu einem Maximalwert ungefähr bei Φ=Φ₀/2.
Das Auftreten eines 4π-periodischen Stroms bei Φ=0 und kleinen Magnetfeldern lässt sich durch Landau-Zener Übergänge zwischen trivialen gebundenen Andreev Zuständen erklären. Um diesen trivialen und den topologischen Ursprung des 4π-periodischen Stroms zu unterscheiden, vergleichen wir die Ergebnisse für Magnetfelder entlang des Drahtes als auch senkrecht zum Draht. Ein topologischer 4π-periodischer Strom sollte nur für die erste Konfiguration auftreten, wohingegen ein trivialer 4π-periodischer Strom in beiden Fällen auftritt. Auf Grundalge unserer Daten folgern wir deshalb, dass der 4π-periodische Strom für Magnetfelder ⪎Φ₀/4, welche entlang des Drahtes ausgerichtet, hauptsächlich einen topologischen Ursprung haben. Unsere Experimente deuten daher darauf hin, dass in einem HgTe Nanodraht von trivialer zu topologischer Supraleitung gewechselt werden kann allein durch Verändern des angelegten magnetischen Flusses.
Metadaten zuletzt geändert: 18 Jan 2023 11:23