[Aug 1,2014] 이후종, 김준성 교수 연구실 - Local and Nonlocal Fraunhofer-like Pattern from an Edge-Stepped Topological Surface Josephson Current Distribution

[Aug 1,2014] 이후종, 김준성 교수 연구실 - Local and Nonlocal Fraunhofer-like Pattern from an Edge-Stepped Topological Surface Josephson Current Distribution  

Nano Letters 14, 5029 (2014)

3차원 위상부도체의 내부는 밴드부도체를 형성하며 그 표면에는 위상학적으로 보호된 디락 전도층이 존재함이 예견되고 있다. 그러나 밴드갭 내부에 형성되는 불순물 준위를 통한 전도에 의해 위상부도체 내부도 유한한 전도도를 가져, 위상학적 전도층의 존재를 실험적으로 확인하는 데에는 많은 어려움이 따르고 있다. 한편, 위상부도체/초전도체 이종접합을 기반으로 하는 초전도소자에서는 외부 섭동에 매우 견고한 특성을 지닌 양자컴퓨터에 응용될 수 있는 마조라나 페르미온을 구현할 수 있다고 알려져 있다.양자전도-초전도연구실 (이후종교수)의 이재형은 3차원 위상부도체인 Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3 단결정 상단에 초전도 전극이 부착된 조셉슨접합을 이용하여 위상학적으로 보호된 표면전도를 통한 초전도 연계특성을 확인하였다. 즉, 조셉슨접합에 수직 자기장을 걸고 연속적으로 강도를 변화시킬 때 임계전류가 주기적으로 변화하는 프라운호퍼 무늬에서 단결정 옆면을 포함한 위상부도체 표면에서 위상학적으로 보호된 전도채널을 통한 초전도 연계를 확인한 것이다. 또한 조셉슨접합 외부에 위치한 일반금속 전극 사이에서도 프라운호퍼 무늬를 관측함으로써 단결정의 전 표면에 걸쳐 이루어지는 위상학적으로 보호된 전도와 이를 통한 초전도 연계 특성을 규명하였다. 이는 향후 마조라나 페르미온 관측을 위한 기반연구로서 위상부도체를 이용한 초전도 양자소자의 개발/연구에 크게 기여할 것으로 예측되고 있다. 본 연구는 이재형, 이길호박사 (현 Harvard Univ.), 박준범, 이장희, 남승걸박사 (현 삼성종합기술원), 신윤석교수 (현 고려대 세종캠퍼스), 김준성교수와의 공동연구로 이루어졌으며, 그 결과는 Nano Letters (2014년 9월 10 일)에 게재 되었다.

We report a surface-dominant Josephson effect in superconductor−topological insulator−superconductor (S−TI−S) devices, where a Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3 (BSTS) crystal flake was adopted as an intervening TI between Al superconducting electrodes. We observed a Fraunhofer-type critical current modulation in a perpendicular magnetic field in an Al−TI−Al junction for both local and nonlocal current biasing. Fraunhofer-type modulation of the differential resistance was also observed in a neighboring Au−TI−Au normal junction when it was nonlocally biased by the Al−TI−Al junction. In all cases, the Fraunhofer-like
signal was highly robust to the magnetic field up to the critical field of the Al electrodes, corresponding to the edge-stepped nonuniform supercurrent density arising from the top and rough side surfaces of the BSTS flake, which strongly suggests that the Josephson coupling in a TI is established through the surface conducting channels that are opologically protected.