侯延亮 王翔 孫曉培 呂力3)?

1)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

3)(松山湖材料實(shí)驗(yàn)室,東莞 523808)

基于拓?fù)浣^緣體材料的約瑟夫森結(jié)是尋找馬約拉納零能模的候選器件,因而受到拓?fù)淞孔佑?jì)算研究領(lǐng)域的關(guān)注.這方面實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之一,是制備具有優(yōu)質(zhì)結(jié)區(qū)的約瑟夫森器件.本工作在三維拓?fù)浣^緣體Bi2Te3和Bi2(SexTe1–x)3 納米線上制作了約瑟夫森結(jié)器件,研究了其結(jié)區(qū)的超導(dǎo)鄰近效應(yīng)、多重安德列夫反射和超流-相位關(guān)系,觀測(cè)到了約瑟夫森結(jié)的臨界超流隨磁場(chǎng)增大而反常地增大、其交流約瑟夫森效應(yīng)出現(xiàn)半整數(shù)的夏皮洛臺(tái)階的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.本文還討論了這些反常現(xiàn)象的可能來(lái)源,特別是與結(jié)區(qū)界面處超導(dǎo)電極的Ti 緩沖層和拓?fù)浣^緣體納米線中的Te 元素形成TiTe 鐵磁性合金層的關(guān)系.

1 引言

2008 年,Fu 和Kane[1]從理論上提出,拓?fù)浣^緣體表面態(tài)在s 波超導(dǎo)體的鄰近效應(yīng)誘導(dǎo)下,能夠表現(xiàn)出類p 波超導(dǎo)電性,從而產(chǎn)生滿足非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的馬約拉納零能模.這一想法一經(jīng)提出,引起了科研工作者的廣泛興趣.馬約拉納零能模受拓?fù)浔Ｗo(hù),對(duì)外界干擾免疫,可以大大提高量子態(tài)的退相干時(shí)間,為量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了新的思路.基于拓?fù)浣^緣體的超導(dǎo)鄰近效應(yīng)設(shè)計(jì)、制備可行的拓?fù)淞孔悠骷?尋找并驗(yàn)證馬約拉納零能模的存在,可以為下一步實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍丶捌渚幙棽僮鞔蛳聦?shí)驗(yàn)基礎(chǔ),具有重要的意義.

為了制備出高質(zhì)量的約瑟夫森器件,需要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題:一是選用高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體材料,二是控制好超導(dǎo)電極與拓?fù)浣^緣體的界面.在材料質(zhì)量方面,現(xiàn)有拓?fù)浣^緣體材料的一大問(wèn)題是體態(tài)的導(dǎo)電成分占比較大,導(dǎo)致表面態(tài)信號(hào)較弱.解決的方法是生長(zhǎng)多元的材料,并對(duì)成分進(jìn)行調(diào)控,通過(guò)改變費(fèi)米面的位置而提高表面態(tài)的占比[2?5].常用的生長(zhǎng)拓?fù)浣^緣體納米材料的方法有分子束外延生長(zhǎng)法[6,7]、氣-液-固化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)法[8,9]、馬弗爐生長(zhǎng)法[10,11]等.目前已生長(zhǎng)出了不同元素組分的拓?fù)浣^緣體材料,在此基礎(chǔ)上制作的約瑟夫森結(jié)器件,其結(jié)區(qū)的透射系數(shù)高達(dá)0.85[12,13].在電極材料與拓?fù)浣^緣體界面的控制方面,選擇合適的電極材料可以有效避免出現(xiàn)復(fù)雜的界面情況.例如,如果選擇Pd 膜作為超導(dǎo)電極與含Te 拓?fù)浣^緣體之間的緩沖層,在界面處會(huì)生成PdTe 和PdTe2超導(dǎo)合金相,從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度[14?17].

本工作構(gòu)筑了基于三維拓?fù)渚夡w納米線的約瑟夫森結(jié)器件,觀測(cè)到了兩個(gè)反常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:1)臨界超流隨外加磁場(chǎng)的增強(qiáng)而反常增大;2)在交流約瑟夫森效應(yīng)中出現(xiàn)半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階.為了探尋其背后的物理機(jī)理,對(duì)器件界面進(jìn)行透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)觀察、能譜表征分析以及磁矩測(cè)量等.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,器件界面處形成了有別于電極緩沖層材料Ti 和納米線的鐵磁性TiTe 合金層.通過(guò)討論這一鐵磁性合金層與所觀察到的反?，F(xiàn)象的關(guān)系,認(rèn)為鐵磁性的引入破壞了約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)的時(shí)間反演對(duì)稱性,使其超流-相位關(guān)系(current-phase relation,CPR)不同尋常,由此可能導(dǎo)致了臨界超流隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而反常增大的行為;并且,由于鐵磁性的引入,結(jié)區(qū)形成了超導(dǎo)-鐵磁金屬-超導(dǎo)(superconductorferromagnetic metal-superconductor,SFS)結(jié)和超導(dǎo)-正常金屬-超導(dǎo)(superconductor-normal metalsuperconductor,SNS)結(jié)的混合系統(tǒng),使得存在π 周期的CPR,導(dǎo)致半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階的出現(xiàn).目前,還沒有關(guān)于器件界面效應(yīng)引起類似反?，F(xiàn)象的報(bào)道和討論.本文工作將有助于下一步改善器件界面、從而制備出基于拓?fù)浣^緣體納米線的高質(zhì)量拓?fù)淞孔悠骷?

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料生長(zhǎng)

采用三溫區(qū)的化學(xué)氣相沉積管式爐,以氣-液-固生長(zhǎng)機(jī)制的原理,在不同溫度的硅基片上長(zhǎng)出了不同組分的三維拓?fù)浣^緣體納米線材料.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,首先將Bi,Se,Te 等單質(zhì)粉末源料放置于管式爐第一溫區(qū)的中央?yún)^(qū)域,再將準(zhǔn)備好的表面附有離散分布金顆粒的10 片5 mm×5 mm 硅基片,按順序排布放置于管式爐第二、三溫區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)域;其次,密封管路,向爐內(nèi)通入比例為4∶1 的氬氣和氫氣,維持爐內(nèi)氣體氛圍壓強(qiáng)在100 mbar(1 bar=105Pa);然后,設(shè)置升溫程序,使3 個(gè)溫區(qū)最終的溫度分別為580 ℃,580 ℃,380 ℃,在基片上沉積材料40 min 后,將管式爐降溫至室溫,取出帶有樣品的基片;最后,對(duì)生長(zhǎng)出的材料進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)形貌觀察和能譜分析(energy dispersive spectroscopy,EDS)等.結(jié)果表明,長(zhǎng)出的材料為三維Bi2Te3納米線、Bi2(SexTe1–x)3納米線等,納米線的長(zhǎng)度處于5—10 μm 范圍內(nèi),寬度處于20—300 nm范圍內(nèi).

2.2 器件制作

首先,挑選合適的三維拓?fù)浣^緣體納米線,將其轉(zhuǎn)移到表面附有300nm厚SiO2層的硅基片上;其次,以4000rad/min的速率在基片上旋涂950PMMA A4 膠,并用加熱臺(tái)將其在120 ℃下加熱2 min 使膠固化;然后,利用電子束曝光的方法在樣品上實(shí)現(xiàn)微納加工圖形設(shè)計(jì),經(jīng)顯影、定影等步驟后,分別在Ar/O2和Ar 環(huán)境下各離子束刻蝕40 s,以去除曝光區(qū)域的殘膠;最后,再用高真空的PLASSYS 鍍膜設(shè)備在基片上蒸鍍Ti/Al 薄膜(3/80 nm)后,取出樣品,將其泡在丙酮溶液中完成去膠操作.至此,完成了多個(gè)基于三維拓?fù)浣^緣體納米線的約瑟夫森結(jié)器件的制作.器件設(shè)計(jì)的結(jié)區(qū)間距在50—200 nm 范圍內(nèi).

2.3 器件測(cè)量

將制備好的約瑟夫森結(jié)器件放置于環(huán)境溫度為20 mK 的干式稀釋制冷機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量.測(cè)量系統(tǒng)主要包括濾波和接地系統(tǒng)、吉時(shí)利(Keithley)源表和鎖相放大器等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微波傳輸系統(tǒng)等.其中,濾波系統(tǒng)為三級(jí)濾波,包括RC 濾波、π 型濾波、銅粉濾波等;采用Keithley 2400 源表對(duì)超導(dǎo)磁體施加電流來(lái)實(shí)現(xiàn)外加磁場(chǎng)的精確控制,用LI5640 鎖相放大器采集約瑟夫森結(jié)器件的微分電阻信號(hào),測(cè)量約瑟夫森結(jié)器件臨界超流隨磁場(chǎng)的變化;用斯坦福SG384 射頻信號(hào)發(fā)生器通過(guò)微波傳輸線在約瑟夫森結(jié)器件附近施加微波輻射場(chǎng),測(cè)量約瑟夫森結(jié)的交流約瑟夫森效應(yīng).

3 結(jié)果和討論

3.1 臨界超流反常增大行為和半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階現(xiàn)象

首先,對(duì)器件表面施加了垂直磁場(chǎng),測(cè)量了結(jié)區(qū)臨界超流隨磁場(chǎng)變化的關(guān)系.圖1(a)和圖1(b)中的SEM 圖分別對(duì)應(yīng)基于三維拓?fù)浣^緣體Bi2(SexTe1–x)3納米線和Bi2Te3納米線的約瑟夫森結(jié)器件實(shí)物圖.通過(guò)對(duì)這兩個(gè)器件進(jìn)行測(cè)量,觀測(cè)到臨界超流隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而反常增大的現(xiàn)象,如圖1(a)和圖1(b)中的數(shù)據(jù)圖所示.為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的重復(fù)性和可靠性,測(cè)量了另外5 個(gè)基于拓?fù)浣^緣體納米線的約瑟夫森結(jié)器件,同樣觀測(cè)到了這樣的反常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖1 (a),(b)分別為基于Bi2(SexTe1–x)3 納米線和Bi2Te3 納米線約瑟夫森結(jié)器件的SEM 圖,以及各自對(duì)應(yīng)的微分電阻隨偏置電流和磁場(chǎng)而變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其中Ib 為直流偏置電流,iac 為低頻交流電流,V 為結(jié)區(qū)電壓,B 為施加的磁場(chǎng)Fig.1.(a)and(b)Scanning electron microscope images of two Josephson junction devices based on Bi2(SexTe1–x)3 nanowire and Bi2Te3 nanowire,respectively,together with their differential resistance as a function of bias current and magnetic field.Ib,iac,V andB represent dc bias current,low-frequency ac current,voltage drop across the junction,and applied magnetic field,respectively.

隨后,又測(cè)量了圖1(b)中的器件在微波輻射下的交流約瑟夫森效應(yīng),希望得到該約瑟夫森結(jié)超流-相位關(guān)系方面的信息.圖2(a)和圖2(b)分別為0 G 和100 G(1 G=10–4T)垂直磁場(chǎng)下的微分電阻隨微波功率和偏置電流變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).微波頻率為3.33GHz,微波功率從–60dBm增至–20dBm.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出交流約瑟夫森效應(yīng)和夏皮洛臺(tái)階.白色數(shù)字標(biāo)注的深藍(lán)色區(qū)域是整數(shù)夏皮洛臺(tái)階出現(xiàn)的區(qū)域.除了整數(shù)夏皮洛臺(tái)階之外,還觀測(cè)到了半整數(shù)的夏皮洛臺(tái)階,如紅色箭頭所標(biāo)示.圖2(c)和圖2(d)分別為圖2(a)和(b)局部的放大圖,與0 G 垂直磁場(chǎng)下的半整數(shù)的夏皮洛臺(tái)階相比,100 G垂直磁場(chǎng)下n=±1/2,±3/2 的半整數(shù)臺(tái)階更清晰,同時(shí)還出現(xiàn)了n=±5/2 的半整數(shù)臺(tái)階.圖2(e)為圖2(a)圖中幾個(gè)不同微波功率處的微分電阻隨偏置電壓的變化關(guān)系曲線,紅色箭頭標(biāo)記的是半整數(shù)臺(tái)階出現(xiàn)的位置,藍(lán)色箭頭標(biāo)記的是整數(shù)臺(tái)階出現(xiàn)的位置,臺(tái)階對(duì)應(yīng)的偏置電壓位置V(n)和臺(tái)階序號(hào)n很好地符合了V(n)nhf/2e的關(guān)系,其中h為普朗克常量,f為給約瑟夫森結(jié)施加微波的頻率,e為電子電荷.

圖2 圖1(b)中的器件在微波輻射下出現(xiàn)整數(shù)和半整數(shù)的夏皮洛臺(tái)階(a),(b)分別為0 G 和100 G 垂直磁場(chǎng)下的微分電阻隨微波功率和偏置電流而變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),白色數(shù)字標(biāo)示的深藍(lán)色區(qū)是對(duì)應(yīng)序號(hào)的整數(shù)臺(tái)階出現(xiàn)的區(qū)域,紅色箭頭標(biāo)示的是半整數(shù)臺(tái)階出現(xiàn)的位置;(c),(d)是(a),(b)局部的放大圖,展示在100 G 的垂直磁場(chǎng)下,半整數(shù)臺(tái)階比零磁場(chǎng)下更為清晰;(e)圖(a)中幾個(gè)不同微波功率處的微分電阻隨偏置電壓的變化關(guān)系曲線,紅色箭頭標(biāo)記的是半整數(shù)臺(tái)階出現(xiàn)的位置,藍(lán)色箭頭標(biāo)記的是整數(shù)臺(tái)階出現(xiàn)的位置Fig.2.Integer and half-integer Shapiro steps under microwave irradiation for the device shown in Fig.1(b):(a),(b)The differential resistance as a function of microwave power and bias current under the perpendicular magnetic field of 0 G and 100 G,respectively,showing Shapiro steps.Integer steps appear in the dark blue regions indicated by the white numbers.And,half-integer steps appear in the positions indicated by the red arrows.(c),(d)Details of(a)and(b),showing that the half-integer steps can be more clearly seen in a perpendicular magnetic field of 100 G than in zero field.(e)Line-cuts in panel(a)at several different microwave powers and converted to bias voltage.Integer and half-integer Shapiro steps are marked with blue and red arrows,respectively.

3.2 討論3.2.1 多重安德列夫反射和器件基本參數(shù)

接下來(lái)討論出現(xiàn)臨界超流反常增大和半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因.首先分析器件的一些基本參數(shù),包括過(guò)量電流(excess current,Ie)、結(jié)區(qū)誘導(dǎo)的能隙大小Δ′、界面透射系數(shù)t等.

以圖1(b)中Bi2Te3納米線約瑟夫森結(jié)器件為例,測(cè)量得到了如圖3(a)所示的Ib-V曲線.當(dāng)約瑟夫森結(jié)處于大偏置下的正常電阻態(tài)時(shí),將此位置的曲線沿其切線方向延長(zhǎng),得到與縱軸相交的截距為50 nA,即為過(guò)量電流Ie.另外,該約瑟夫森結(jié)在大偏置下的正常態(tài)微分電阻Rn為1300 Ω,其臨界超流值Ic為20 nA,由此可知該器件的eIcRn=26 μeV.

圖3 多重安德列夫反射(a)基于圖1(b)約瑟夫森結(jié)器件的Ib-V 曲線,過(guò)量電流為50 nA;(b)多重安德列夫反射導(dǎo)致的電導(dǎo)峰;(c)電壓峰的電壓位置與電導(dǎo)峰的序號(hào)符合理論預(yù)計(jì);(d)根據(jù)OTBK 理論得出的eIeRn/Δ′ -Z 的曲線[18]Fig.3.Multiple Andreev reflection:(a)TheIb-V curve of the Josephson junction device shown in Fig.1(b),the excess currentIe is 50 nA;(b)the conductance peaks caused by multiple Andreev reflections;(c)the peak positions follow the expectation of the theory;(d)theeIeRn/Δ′ -Z curve derived from OTBK theory[18].

圖3(b)為其多重安德列夫反射(multiple Andreev reflection,MAR)數(shù)據(jù)圖,MAR 出現(xiàn)在電導(dǎo)峰對(duì)應(yīng)的偏置電壓位置.可觀測(cè)到的MAR 的階數(shù)有四階,如圖中N=1,2,3,4 序號(hào)標(biāo)注所示.發(fā)生一階MAR 時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)區(qū)偏置電壓位置為2Δ′/e=230 μV,即誘導(dǎo)的超導(dǎo)能隙Δ′為115 μeV.如圖3(c)所示,發(fā)生MAR 時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)區(qū)偏置電壓值和階數(shù)能夠很好地與MAR 的理論公式(1)吻合:

根據(jù)Octavi-Tinkham-Blonder-Klapwijk(OTBK)理論可以得到結(jié)區(qū)界面的勢(shì)壘強(qiáng)度Z、誘導(dǎo)的能隙Δ′、過(guò)量電流Ie、正常態(tài)電阻Rn之間的關(guān)系,即[18]:

其關(guān)系曲線圖展示在圖3(d)中.根據(jù)前面已知的參數(shù)Ie=50 nA,Rn=1300 Ω,Δ′=115 μeV,可知eIeRn/Δ′=0.525.那么,根據(jù)圖3(d)可得到結(jié)區(qū)界面的勢(shì)壘Z為0.825,如圖中的紅色虛線標(biāo)注所示.由此得到器件界面的透射系數(shù)t1/(1+Z2)=0.595.

根據(jù)以往以Al/Pt 作為超導(dǎo)電極的Bi2Te3和Bi2Se3約瑟夫森器件的研究報(bào)道,eIcRn可達(dá)到Al 超導(dǎo)能隙的60%以上,界面的透射系數(shù)可高達(dá)0.85[12,13].而在本文的多個(gè)器件中,eIcRn不到Al超導(dǎo)能隙的20%,界面透射系數(shù)也比較低(0.55—0.65).這從側(cè)面表明本文器件界面有可能比較復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的反常現(xiàn)象也可能與此有關(guān).

3.2.2 器件界面效應(yīng):鐵磁性的TiTe

為了探究器件界面的復(fù)雜情況是否與發(fā)生的反?，F(xiàn)象有關(guān),對(duì)器件進(jìn)行TEM 觀察、能譜分析以及磁矩測(cè)量等.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,器件界面處形成了有別于電極緩沖層材料Ti 和納米線的鐵磁性TiTe 合金層.

圖4(a)為基于三維Bi2Te3納米線約瑟夫森器件的結(jié)區(qū)截面TEM 圖以及能譜分析.元素成分分析表明,在結(jié)區(qū)界面處黃色虛線標(biāo)示的范圍內(nèi)Ti 元素和Bi 元素重疊很少,而Ti 和Te 元素重疊較多.因此,可以確定在此區(qū)域內(nèi)形成了Ti 和Te的合金.

圖4 (a)基于三維Bi2Te3 納米線約瑟夫森器件截面的TEM 圖以及能譜分析的元素成分面掃描圖,Bi2Te3 與電極緩沖層Ti 的界面處產(chǎn)生了TiTe 合金層,位置如圖中黃色虛線框所示;(b)Bi2Te3 薄片樣品和蒸鍍Ti 后的Bi2Te3/Ti 異質(zhì)結(jié)樣品在2 K 溫度下的M-H 曲線數(shù)據(jù)圖(1 emu=10–3 A·m2),插圖為紅色方框區(qū)域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)放大圖Fig.4.(a)Transmission electron microscope image on the cross-section of the Josephson junction device composed of a three-dimensional topological insulator nanowire Bi2Te3 and superconducting electrodes with buffer layer Ti at the interface.Also shown are the elemental mappings at the interface by energy dispersive spectroscopy.The two dashed yellow lines indicate where TiTe alloy is formed at the interface;(b)theM-H curves measured at the temperature of 2 K on a Bi2Te3 flake before and after Ti film deposition,the inset shows the enlarged details in the red box.

有研究報(bào)道,單層或幾層的TiTe 材料為鐵磁性的狄拉克半金屬,Ti 原子層和Te 原子層間會(huì)存在魯棒性的鐵磁序交換耦合機(jī)制,使得TiTe 具有強(qiáng)鐵磁性[19].為了判斷器件界面處的Ti 和Te 合金相是否是TiTe 合金相、是否具有鐵磁性,在Bi2Te3薄片(厚度為30 nm)上蒸鍍Ti 膜(厚度為3 nm)之前和之后的樣品上,分別測(cè)量2 K 溫度下的M-H曲線,結(jié)果如圖4(b)所示.與蒸鍍Ti 前的結(jié)果相比,蒸鍍Ti 后的Bi2Te3/Ti 異質(zhì)結(jié)樣品的M -H曲線在2 K 的低溫下呈現(xiàn)出了鐵磁性回滯,矯頑力在100 Oe(1 Oe=103/(4π)A/m)左右,說(shuō)明Bi2Te3/Ti 異質(zhì)結(jié)樣品具有鐵磁性磁矩.因?yàn)锽i2Te3和Ti 膜本身都不具有鐵磁性,所以可認(rèn)為,在器件界面處,電極的緩沖層Ti 膜與拓?fù)浣^緣體材料的Te 元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),生成了具有鐵磁性的TiTe 合金層.鐵磁性TiTe 層的出現(xiàn),為揭示兩個(gè)反常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的物理機(jī)理提供了重要線索.

據(jù)報(bào)道,基于InAs、石墨烯的約瑟夫森器件可以形成高透射系數(shù)的結(jié)區(qū)和重傾斜的CPR,使得CPR 出現(xiàn)高階諧波,導(dǎo)致微波輻照下整數(shù)和半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階的出現(xiàn)[20,21].而本文器件具有較低的界面透射系數(shù)t=0.595,其CPR 更接近于正弦函數(shù),因此可以排除本實(shí)驗(yàn)中半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階的出現(xiàn)是由重傾斜CPR 導(dǎo)致的.另外,庫(kù)珀對(duì)中電子塞曼分裂導(dǎo)致的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov(FFLO)超導(dǎo)態(tài)[22,23]產(chǎn)生非零動(dòng)量的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制,形成空間分布的p 波,亦有可能導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)中反?，F(xiàn)象出現(xiàn),但目前尚未有足夠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)驗(yàn)證.

另一方面,在基于SnTe,NiFe 等的約瑟夫森器件上,也觀察到了臨界超流隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而反常增大的行為和交流約瑟夫森效應(yīng)中出現(xiàn)半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階的行為[24,25],基于此,結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的具體情況,對(duì)所觀察到的反常現(xiàn)象給出如下可能的物理機(jī)理解釋.

有研究認(rèn)為,時(shí)間反演對(duì)稱性破缺可導(dǎo)致出現(xiàn)臨界超流隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而反常增大的行為[24].在本文器件的界面處形成了鐵磁性的TiTe 合金,鐵磁性的引入打破了系統(tǒng)的時(shí)間反演對(duì)稱性,從而導(dǎo)致了臨界超流隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而反常增大的行為.

另有研究報(bào)道,在SFS 結(jié)和SNS 結(jié)混合的Nb-NiFe-Nb 約瑟夫森結(jié)中存在著0 結(jié)和π 結(jié)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,使得CPR 中含有π 周期的二階諧波相,導(dǎo)致在交流約瑟夫森效應(yīng)中出現(xiàn)了半整數(shù)的夏皮洛臺(tái)階[25].在本文的器件中,界面處產(chǎn)生了鐵磁性的TiTe 合金層,同樣可能使得結(jié)區(qū)形成SFS 結(jié)和SNS 結(jié)的混合系統(tǒng),導(dǎo)致CPR 中也含有π 周期的二階諧波相,因此在微波輻射下的交流約瑟夫森效應(yīng)中出現(xiàn)了半整數(shù)的夏皮洛臺(tái)階.另外,與0 G的情況相比,100 G 垂直磁場(chǎng)下出現(xiàn)了更高階和更清晰的半整數(shù)夏皮洛臺(tái)階(圖2).這可能與在100 G下TiTe 鐵磁性更強(qiáng)有關(guān).

4 總結(jié)

綜上所述,約瑟夫森器件中電極緩沖層Ti 膜與拓?fù)浣^緣體的Te 元素化合形成了具有鐵磁性的TiTe 合金.鐵磁性TiTe 層的出現(xiàn),不僅打破了系統(tǒng)的時(shí)間反演對(duì)稱性,導(dǎo)致出現(xiàn)臨界超流隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而反常增大的行為,同時(shí)還使得結(jié)區(qū)構(gòu)成了SFS 結(jié)和SNS 結(jié)的混合系統(tǒng),致使CPR 含有π 周期的二階諧波相,在交流約瑟夫森效應(yīng)中出現(xiàn)半整數(shù)的夏皮洛臺(tái)階.本文基于拓?fù)浣^緣體納米線的約瑟夫森器件,首次觀察到可能由器件界面效應(yīng)引起的類似反?，F(xiàn)象,這為以后改善結(jié)區(qū)界面,制備出高質(zhì)量可行的拓?fù)淞孔悠骷隽肆己玫匿亯|,也為后續(xù)在拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域中研究馬約拉納零能模打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).