Quantum transport, interference and multi-terminal effects in topological insulator nano-devices : towards topological superconductivity

Behner, Gerrit; Schäpers, Thomas; Morgenstern, Markus

doi:44756

Quantum transport, interference and multi-terminal effects in topological insulator nano-devices : towards topological superconductivity

Behner, Gerrit^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gerrit Behner, Master of Science (MSc.), RWTH Aachen, Deutschland

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-09-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08393
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1019417/files/1019417.pdf

Einrichtungen

Projekte

EXC 2004: Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) (390534769) (390534769)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Josephson junction (frei) ; interference (frei) ; superconductivity (frei) ; topological insulator (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Da klassische Transistoren zunehmend atomare Dimensionen erreichen, gewinnen quantenmechanische Effekte an Bedeutung und setzen der weiteren Miniaturisierung und Leistungssteigerung grundlegende Grenzen. Als Reaktion auf diese Einschränkungen hat sich das Quantencomputing als ein transformatives Paradigma etabliert, das Quanten Superposition und Verschränkung nutzt, um Rechenkapazitäten zu ermöglichen, die über die klassischer Systeme hinausgehen. Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahren bestehen weiterhin große Herausforderungen auf dem Weg zu einem universellen Quantencomputer, insbesondere im Hinblick auf Skalierbarkeit und Fehlerkorrektur. Topologisches Quantencomputing, ein Ansatz zur Realisierung von Qubits, den fundamentalen Bausteinen von Quantencomputern, unter Verwendung exotischer Quasiteilchen, sogenannter Majorana-Zero-Moden, begegnet diesen Herausforderungen, indem es Quanteninformation auf eine Weise speichert, die von Natur aus vor lokalen Fehlern geschützt ist. Diese intrinsische Robustheit verringert Dekohärenzeffekte deutlich und reduziert den Bedarf an komplexer Fehlerkorrektur. Ein Ansatz zur Erzeugung eines topologischen Qubits besteht darin, einen eindimensionalen topologischen Isolator, eine Materialklasse, die durch leitende Oberflächenzustände und ein isolierendes Volumen charakterisiert ist, in Form eines Nanodrahts mit einem $s$-Wellen-Supraleiter zu kombinieren. Im Gegensatz zu anderen Qubit-Typen wurde das topologische Qubit bislang noch nicht experimentell realisiert, da der Nachweis lokalisierter Majorana-Null-Moden (MZMs) bisher nicht gelungen ist und weiterhin Gegenstand aktueller Forschung ist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Suche nach topologischer Supraleitung, also supraleitenden Eigenschaften in den Oberflächenzuständen des Materials, als Schritt hin zum Nachweis der Existenz von Majorana-Zero-Moden. Zu diesem Zweck werden Experimente an topologischen Isolatoren sowie an hybriden Nanostrukturen aus topologischem Isolator und Supraleiter durchgeführt. In einem ersten Schritt erfolgt eine Standard-Charakterisierung des Materials anhand selektiv gewachsener Hall-Barren. Dabei zeigt sich, dass diese noch junge Materialklasse (etwa zehn Jahre alt) weiterhin einer gründlichen Wachstumsoptimierung bedarf, da Wachstumsdefekte eine Vielzahl unerwünschter Effekte verursachen, welche die angestrebten Eigenschaften topologischer Isolatoren beeinträchtigen oder vollständig zerstören. In der Folge werden Nanostrukturen eingesetzt, um die Existenz von Oberflächenzuständen sowie deren elektronischen Transporteigenschaften zu untersuchen. Die Verkleinerung der Bauelemente auf Nanometerskalen erhöht das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erheblich und sollte zu einer verstärkten Wirkung der Oberflächenzustände führen. Für spätere Hybridstrukturen, die Supraleiter enthalten, ist ein genaues Verständnis der Transportdynamik essenziell, insbesondere in Bezug auf die Phasenkohärenz der Ladungsträger sowie den Einfluss von Magnetfeldern in der Ebene auf die Ladungsträger in Mehrkontaktstrukturen, da beide Aspekte zentrale Bestandteile topologischer Quantencomputing-Architekturen darstellen. Zu diesem Zweck werden Aharonov-Bohm-Ringe untersucht, um die Transporteigenschaften der Ladungsträger in den Oberflächenzuständen mit Fokus auf kohärente Transportphänomene zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass in topologischen Isolatoren zwei verschiedene Transportregime koexistieren: ein diffuses, das auf Volumenkanäle infolge intrinsischer Dotierung durch Wachstumsdefekte zurückzuführen ist, sowie ballistische Kanäle, die den Oberflächenzuständen des Materials zugeordnet werden können. Die Oberflächenzustände sind dabei von Natur aus vom restlichen System entkoppelt und zeigen selbst bei hoher Defektdichte ein ballistisches Verhalten. Anschließend werden Mehrkontakt- und geknickte Nanodrähte untersucht, um Einblicke in den Einfluss von Magnetfeldern in der Ebene auf den Transport in diesen Systemen zu gewinnen. Elektronen in den Oberflächenzuständen erfahren eine Lorentzkraft durch die nicht-ausgerichtete Komponente des in der Ebene liegenden Magnetfelds, wenn sie den Nanodraht durchqueren. Dies führt dazu, dass Ladungsträger entweder an der Ober- oder Unterseite des Drahts gefangen werden. Abhängig von der Orientierung des Magnetfelds resultiert daraus eine Kopplung oder Entkopplung von Ein- und Ausgängen innerhalb des Systems. In der Folge treten $\pi$-periodische Leitfähigkeitsoszillationen auf, die sich nur durch phasenkohärente Oberflächenzustände entlang des Umfangs des Nanodrahts erklären lassen. Da die Existenz phasenkohärenter und robuster Oberflächenzustände nachgewiesen wurde, können diese Materialien mit Supraleitern kombiniert werden. Dadurch lässt sich der Einfluss supraleitender Korrelationen auf den Transport in solchen Hybridsystemen im Rahmen des Proximity-Effekts untersuchen. Eine neuartige Herstellungstechnik ermöglicht die Realisierung Josephson-Kontakten sowie von Josephson-Mehrfachkontakten gänzlich im Vakuum. In den Josephson-Kontakten konnte gezeigt werden, dass die in den Oberflächenzuständen induzierte Supraleitung in Kombination mit deren ballistischem Verhalten zu einem Josephson-Dioden-Effekt führt. Der Josephson-Dioden-Effekt beschreibt das Auftreten eines nicht-reziproken Suprastroms im System, der auf drei gebrochene Symmetrien zurückzuführen ist und sich nur durch supraleitende Korrelationen in den topologischen Oberflächenzuständen des Josephson-Kontakts erklären lässt. Im nächsten Schritt werden die Josephson-Kontakte zu Mehrkontaktstrukturen erweitert. Diese erfüllen alle Bedingungen des sogenannten Multi-Terminal-Josephson-Effekts, wie er in Experimenten mit Halbleiter-Supraleiter-Hybridsystemen definiert wurde. Analog zu den einfachen Josephson-Kontakten zeigen einige dieser Strukturen Effekte, die sich nur durch die Proximisierung der Oberflächenzustände mit dem Supraleiter erklären lassen. Abschließend werden erste Experimente vorgestellt, in denen die gezielte Manipulation der Phase in den einzelnen Kontakten eines Josephson-Mehrfachkontakts den Transport beeinflusst, ein Hinweis auf die vielseitigen Möglichkeiten solcher Systeme.

As classical transistors approach atomic dimensions, quantum mechanical effects become increasingly significant, imposing fundamental limits on further miniaturization and performance enhancement. In response to these constraints, quantum computing has emerged as a transformative paradigm, harnessing quantum superposition and entanglement to enable computational capabilities that surpass those of classical systems. Despite substantial progress in recent years, significant challenges persist on the path towards universal quantum computing, particularly with respect to scalability and error mitigation. Topological quantum computing, an approach to realizing qubits, the fundamental building blocks of quantum computers, using exotic quasiparticles known as Majorana zero modes, addresses these challenges by encoding quantum information in a manner that is inherently protected from local errors. This intrinsic robustness significantly reduces decoherence effects and minimizes the need for complex error correction. One approach to creating a topological qubit involves combining a one-dimensional topological insulator, a material class characterized by conducting surface states and an insulating bulk, realized in a nanoribbon—with an $s$-wave superconductor. Unlike other types of qubits, the topological qubit has not yet been experimentally realized, as the existence of localized Majorana zero modes (MZMs) remains unproven and is still a subject of ongoing research. The focus of this thesis is the search for topological superconductivity, referring to superconducting properties in the material's surface states as a step towards demonstrating the existence of Majorana zero modes. For this, experiments in topological insulator and hybrid topological insulator/superconductor nanostructures are performed. In a first step, standard material characterization is performed using selectively grown Hall bars. It can be shown that this rather young ($\approx$ 10 years) material class still needs to undergo rigorous growth optimization, as growth defects lead to a manifold of undesired effects that destroy the proposed properties of topological insulators. As a consequence nanoscale devices are used to investigate the existence of surface states and their electronic transport properties. Scaling down the devices to nanometer sizes significantly increases the surface to bulk ration and should lead to an enhancement of surface state effect. For later hybrid devices including superconductors it is crucial to understand the transport dynamics regarding the phase coherence of charge carriers and the influence on in-plane magnetic fields on carriers in multi-terminal structures as both are important components of topological quantum computing architectures. Therefore, Aharonov-Bohm rings are probed to investigate the transport properties of the surface state charge carriers with a focus on phase-coherence effects. It could be shown that two different transport regimes coexist in topological insulator materials: a diffusive one, arising from bulk channels due to intrinsic doping as a result of growth defects, and ballistic channels that can be attributed to the surface states of the material. The surface states are inherently decoupled from the rest of the system and show ballistic behaviour even under large defect concentrations. Subsequently, multi-terminal and kinked nanoribbons are investigated to gain insight into the influence of in-plane magnetic fields on transport in these systems. Electron in the surface states experience a Lorentz force due to the unaligned component of in-plane magnetic fields when traversing the nanoribbon leading to a trapping of carriers on the bottom or top side of the ribbon. This in turn, depending on the orientation of the in-plane magnetic field result in a coupling or decoupling of in- and output states into the system. As a result $\pi$-periodic conductance oscillations arise, which can only be explained by phase-coherent surface states on the circumference of the ribbon. Since the existence of phase-coherent and robust surface states has been proven, these materials can be combined with superconductors. This allows to study the influence of superconducting correlations on transport in these hybrid systems as a result of the proximity effect. A novel fabrication technique is used to create in-situ Josephson junctions and multi-terminal Josephson junctions. In the Josephson junctions, it was possible to show that the induced superconductivity in the surface states combined with their ballistic nature results in a Josephson diode effect. The Josephson Diode effect describes the presence of a non-reciprocal supercurrent in the system which is the result of three-symmetry breaking mechanism which can only be explained by superconducting correlations in the topological surface states of the Josephson junctions weak link. In a next step, the single terminal Josephson junctions are extended to multi-terminal structures. These multi-terminal Josephson junctions fulfill all conditions of the multi-terminal Josephson effect defined in experiments with semiconductor-superconductor hybrid structures. Analogous to the simple Josephson junctions some of the devices even show effects that can only be explained by the proximization of the surface states with the parent superconductor. Finally, preliminary experiments are presented where the manipulation of the phase in the terminals of a multi-terminal junction influences transport, demonstrating the vast possibilities of these systems.

OpenAccess:
PDF
(additional files)