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Hard Superconducting Gap in PbTe Nanowires

Yichun Gao (高益淳), Wenyu Song (宋文玉), Shuai Yang (杨帅), Zehao Yu (于泽昊), Ruidong Li (李睿东), Wentao Miao (苗文韬), Yuhao Wang (王禹灏), Fangting Chen (陈芳婷), Zuhan Geng (耿祖汗), Lining Yang (杨利宁), Zezhou Xia (夏泽洲), Xiao Feng (冯硝), Yunyi Zang (臧运祎), Lin Li (李琳), Runan Shang (尚汝南), Qi-Kun Xue (薛其坤), Ke He (何珂), and Hao Zhang (张浩)

Chin. Phys. 2024, 41 (3): 038502

DOI: 10.1088/0256-307X/41/3/038502

文章亮点

首次在PbTe-Pb半导体-超导复合纳米线中实现硬超导近邻能隙，能隙大小约为1 meV，满足了该体系实现马约拉纳零能模的一个必要条件。

图1. 左上：PbTe-Pb隧穿器件扫描电镜图。右上：PbTe-Pb界面原子分辨透射电镜图。左下：该器件微分电导谱随偏压和栅极电压变化。右下：隧穿区域（黑线）和开放区域（红线）电导谱。

PbTe纳米线中的硬超导近邻能隙

研究背景

半导体纳米线同超导耦合后有望实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算。衡量其器件质量的一个重要指标为纳米线中的超导近邻能隙。早期的研究中，超导-半导体界面处杂质的存在使得耦合不均匀，导致近邻能隙为“软能隙”（soft gap），严重影响了马约拉纳的探测。分子束外延原位生长可实现近乎原子级平整的超导-半导体界面，并得到超导硬能隙（hard gap）。目前的研究体系主要为III-V半导体和超导铝，比如InAs-Al纳米线（见CPL 39, 058101 (2022)）。除“硬度”外，能隙的大小也是一个重要指标，因其决定了马约拉纳受保护的拓扑能隙的上限。而铝膜的近邻能隙（约0.2-0.3 meV）偏小，并非实现马约拉纳的最佳超导材料。

内容简介

最近，清华大学何珂以及张浩课题组将PbTe纳米线同超导Pb耦合，实现了硬超导近邻能隙，且能隙大小超过1 meV。作为相比III-V半导体性能更优（杂质更少）的材料体系，PbTe纳米线由该团队提出并取得了系列进展（见《物理学报》72，238101（2023））。通过栅极将器件调至隧穿区域时，能隙内微分电导为零，意味着硬超导能隙。将器件调至开放区域时，由于安德列夫反射，能隙内电导相比于外部电导得到增强，表明PbTe-Pb界面的高度透明性。

研究意义和重要性

该实验工作展示了PbTe纳米线中硬超导能隙，大小（约1 meV）显著高于铝的超导能隙。PbTe-Pb有望成为实现马约拉纳零模的一个更优的材料体系。

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