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Título

Hybrid superconductor-semiconductor nanowire junctions as useful platforms to study Majorana bound states

Otros títulosUniones híbridas de nanohilos superconductor-semiconductor como plataformas útiles para estudiar estados ligados de Majorana
AutorCayao, Jorge
DirectorAguado, Ramón
Palabras claveTopological superconductivity
Majorana bound states
Andreev bound states hybrid NS and SNS junctions
Spin-orbit coupling
Zeeman interaction
S-wave superconductivity
Superconductividad topológica
Estados ligados de Majorana
Estados ligados de Andreev
Uniones híbridas NS y SNS
Acoplamiento de spín-óbita
Interacción de Zeeman
Superconductividad de ondas
Fecha de publicaciónmay-2016
EditorCSIC - Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)
Universidad Autónoma de Madrid
Resumen[EN] One of the most promising platforms for one-dimensional topological superconductivity is based on semiconducting nanowires with strong spin-orbit coupling (SOC), where s-wave superconductivity is induced by proximity effect and an external Zeeman field drives the system into the topological superconducting phase with Majorana bound states (MBSs) at the end of the wire. During last years this idea has led to a great number of important experiments in hybrid superconductor-semiconductor systems, where the main signature is an emergent zero-bias peak (ZBP) in the differential conductance as a magnetic field is increased. This thesis focuses on the study of hybrid superconductor-semiconductor junctions made of semiconducting nanowires with Rashba SOC. In the first part, we introduce the emergence of one-dimensional topological superconductivity, and then we show details on modeling onedimensional hybrid junctions made of semiconducting nanowires with SOC. Afterwards, we fully analyse the Andreev spectrum and study phase-biased transport, which exhibit nontrivial signatures in the topological phase with MBSs. In the second part, we focus on transport in a voltage-biased short superconductor-normal-superconductor (SNS) junction made of semiconducting nanowires with SOC as the applied Zeeman field drives the system into the topological superconducting phase. We show that the dissipative multiple Andreev reflection (MAR) current at different junction transparencies exhibits unique features related to topology such as gap inversion, the formation of MBSs and fermion-parity conservation. In the third part, we carried out a detailed study of helicity and confinement in long SNS junctions based on semiconducting nanowires. The main conclusion in this part is that a long junction with a helical normal section but still in the topologically trivial regime, supports a low-energy sub-gap spectrum consisting of multiple zero-energy crossings that smoothly evolve towards MBSs as the junction becomes topological. In the fourth part, we investigate a novel approach to engineer MBSs in non-topological superconducting wires, where we propose to create a sufficiently transparent normal-superconductor (NS) junction on a Rashba wire with a topologically trivial superconducting side and a helical normal side. We finish with an analysis of screening properties of proximitized nanowires with SOC and Zeeman fields within linear response theory, relevant for experiments trying to measure Majorana bound states and their non-trivial overlap. Along this thesis, we emphasise the importance of employing hybrids superconductor-semiconductor nanowire junctions towards the unambiguously detection of MBSs beyond zero-bias anomalies.
[ES] Una de las plataformas más prometedoras para superconductividad topológica en una dimensión está basada en nanohilos semiconductores con fuerte acoplamiento de espín-órbita (AEO), donde se induce superconductividad de onda s vía efecto de proximidad y un campo Zeeman externo conduce al sistema hacia la fase topológica con estados ligados de Majorana (ELM) en los bordes del nanohilo. Durante los últimos años, esta idea ha dado lugar a un gran número de experimentos en sistemas híbridos superconductor-semiconductor, donde la principal característica is la emergencia de un pico a voltaje cero en la conductancia diferencial a medida que el campo magnético es aumentado.
Esta tesis se centra en el estudio de uniones híbridas superconductor-semiconductor hechas de nanohilos semiconductores con AEO de tipo Rashba. En la primera parte, introducimos la emergencia de superconductividad topológica en una dimensión, y luego mostramos como modelar uniones híbridas en una dimensión hechas de nanohilos semiconductores con AEO. Después, realizamos un análisis detallado del espectro de Andreev y del transporte dependiente de la fase, el cual exhibe características no triviales in la fase topológica con ELM. En la segunda parte, nos centramos en transporte dependiente del voltaje en una union corta superconductor-normal-superconductor (SNS) hecha de nanohilos semiconductores con AEO, a medida que el campo Zeeman aplicado conduce al sistema hacia la fase topológica superconductora. Mostramos que la corriente disipativa de las múltiples reflexiones de Andreev (MAR) a diferentes transparencias de la unión exhibe propiedades relacionadas a la topología, tales como la inversión del gap, la formación de ELM y la conservación de la paridad fermiónica. En la tercera parte, hacemos un estudio detallado de helicidad y confinamiento en uniones largas SNS basadas en nanohilos semiconductores. La conclusión más importante de esta parte es que una unión larga con una región helical, pero todavía en el régimen topologicamente trivial, contiene un espectro de baja energía dentro del gap que consiste en cruces múltiples en energía cero que evolucionan suavemente hacia ELM a medida que la unión se hace topológica. En la cuarta parte, investigamos un nuevo enfoque para diseñar ELM en nanohilos superconductores no topológicos, donde proponemos crear una unión normalsuperconductor (NS) suficientemente transparente en un nanohilo de tipo Rashba, con una parte en la fase topológicamente trivial y la otra en la fase helical normal. Terminamos con un análisis de propiedades de apantallamiento en nanohilos superconductores con AEO y campo Zeeman dentro de la teoría de respuesta lineal, relevante para experimentos que intentan medir ELM y su solapamiento no trivial. A lo largo de esta tesis, hacemos hincapié en la importancia del emplear uniones híbridas superconductor-semiconductor de nanohilos para la detección sin ambigüedades de ELM mas allá de la anomalía a voltaje cero.
DescripciónSubmitted to the Department of Condensed Matter Physics in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Physics at the Universidad Autónoma de Madrid.-- Thesis Committee: Prof. Rosa López Gonzalo, Prof. Alfredo Levy Yeyati, Prof. Karsten Flensberg, Prof. Pascal Simon and Dr. Sebastian Bergeret.
URIhttp://hdl.handle.net/10261/132692
Aparece en las colecciones: (ICMM) Tesis
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