Towards the detection of Majorana states in topological insulators by interference

Zimmermann, Erik; Schäpers, Thomas; Morgenstern, Markus

doi:HT030725800

Towards the detection of Majorana states in topological insulators by interference

Zimmermann, Erik^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Erik Zimmermann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

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
2024-02-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-03526
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/983568/files/983568.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Majorana (frei) ; SQUID (frei) ; quantum anomalous Hall effect (frei) ; superconductivity (frei) ; topological insulator (frei) ; topological quantum computation (frei) ; topologischer Isolator (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Aktuell steigt das Interesse an der Erforschung von Quantencomputern, da diese neue Technologien und bisher unzugängliche Möglichkeiten bieten können, wie zum Beispiel eine signifikante Reduktion der Berechnungszeiten von Simulationen. Der zugrundeliegende Logikbaustein ist hierbei das sogenannte Qubit, das durch zwei quantenmechanische Zustände charakterisiert wird. Bisher verwendete Qubits, wie zum Beispiel Ladungs- oder Flussqubits leiden aktuell unter kurzen dekohärenzzeiten und einem exponentiellen Anstieg der Fehlerkorrekturmechanismen. Aus diesem Grund sind die bisherigen Ansätze schwer zu skalieren. Im Gegensatz dazu bieten topologische Qubits einen alternativen Ansatz, da aufgrund des topologischen Schutzes der Zustände deutlich höhere Dekohärenzzeiten und eine reduzierte Fehlerkorrektur erwartet werden. Eine Möglichkeit zur Umsetzung eines topologischen Qubits bieten sogenannte Majorana Fermionen, die zum Beispiel in einer Kombination aus einem eindimensionalen (1D) topologischem Isolator (TI) Nanodraht und Supraleiter gefunden werden können. Im Vergleich zu anderen Qubits wurde das topologische Qubit jedoch noch nicht experimentell umgesetzt, da der eindeutige Nachweis von energielosen Majorana Fermionen (MZMs) noch aussteht. Aus diesem Grund müssen die zugrundeliegenden Materialien erst weiter untersucht und optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) selektiv gewachsene TI Kompositionen auf Silizium und Saphir Substraten in Hinblick auf die Magnetotransporteigenschaften in einem Kryostaten untersucht. Es wird gefolgert, dass ein ternärer TI gewachsen auf einem Silizium Substrat den geringsten Einfluss störender Zustände aus der Masse des TIs zeigt. Auf Basis dessen werden magnetische Materialien in den TI implementiert, um einen magnetischen TI (MTI) zu formen. Durch Variation der Schichtdicke, des angelegten Stroms, Justage der Position der Fermi Energie in der Bandstruktur und durch Verwendung einer Heterostruktur konnte der quantenanomale Halleffekt (QAHE) nachgewiesen werden. Dieser zeichnet sich durch einen einzigen spinpolarisierten Randkanal aus. Durch Ausnutzung der Stromabhängigkeit des Koerzitivfeldes wurde außerdem auch ein Umklappen der magnetischen Momente im MTI erreicht. Zusätzlich wurden konventionelle TI Nanodrähte mit Supraleitern kombiniert. Hierbei zeigten ein paar der Proben eine vom Supraleiter induzierte Bandlücke. Außerdem wurden supraleitende Quanteninterferenzstrukturen (SQUIDs) auf Basis der Oberflächenzustände des TIs fabriziert, bei denen die eingeschlossene Fläche durch die Querschnittsfläche des TIs definiert ist. Abschließend wird ein neuer Probenentwurf vorgestellt, bei dem basierend auf den Nano-SQUIDs möglicherweise die Existenz der Majoranazustände nachgewiesen werden kann.

Current research on quantum computers gains more and more interest, as they would enable a lot of new technologies and opportunities for instance by significantly reducing computing times of simulations. The basic logical element of a quantum computer is a so-called qubit where two states are defined in a quantum mechanical system. Commonly used qubits like charge or flux qubits suffer from short decoherence times and an exponentially increasing need of error correction mechanisms, which makes them barely scalable. Topological qubits are candidates for an alternative approach, as due to the topological protection much higher decoherence times and thus less need of error correction is needed. One possibility for the creation of a topological qubit based on so-called Majorana fermions is the combination of a one dimensional (1D) topological insulator (TI) nanoribbon with an s-wave superconductor. Compared to other qubits the topological qubit has not been experimentally realized, yet, as the existence of localized Majorana zero modes (MZM) is not unambiguously proven. Hence, the underlying materials still need to be investigated and optimized. In this thesis, different TI compositions grown selectively via molecular beam epitaxy (MBE) on silicon and sapphire substrates are compared with respect to their magnetotransport properties at cryogenic temperatures. It is concluded that a ternary TI grown on silicon provides the lowest contribution from disruptive bulk states. Taking this composition as a basis material, magnetic materials are doped into the TI in order to create a magnetic topological insulator (MTI). By adjusting the film thickness, varying the applied bias current, tuning the location of the Fermi energy in the band structure and using a heterostructure the quantum anomalous Hall effect (QAHE) is found where a single spin-polarized chiral edge mode mediates the electrical transport. Besides that, the current dependency of the coercive magnetic field is used in order to show a current induced switching of the direction of the internal magnetization. Furthermore, conventional TI nanoribbons are combined with different superconductors. For some of the samples the proximity effect is observed where the superconductor induces a superconducting energy gap into the TI. In addition, superconducting quantum interference devices (SQUIDs) based on the surface states of a TI are fabricated, where the enclosed area is defined by the crosssectional area of the nanoribbon. In the end, a new device design is suggested that may be used for the prove of existence of MZMs, based on the investigated surface state nano-SQUID.

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