FRACTIONAL A. C. JOSEPHSON EFFECT AS EVIDENCE OF TOPOLOGICAL HINGE STATES INADIRAC SEMIMETAL NiTe2

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We experimentally investigate Josephson current between two 5 µm spaced superconducting indium leads,coupled to a NiTe2single crystal flake, which is a type-II Dirac semimetal. Under microwave irradiation, wedemonstrate a. c. Josephson effect at millikelvin temperatures as a number of Shapiro steps. In addition to theinteger (n= 1,2,3,4, ...) steps, we observe fractional ones at half-integer values n= 1/2,3/2,5/2and 7/2,which corresponds to πperiodicity of current-phase relationship. In contrast to previous investigations, we donot observe 4πperiodicity (disappearance of the odd n= 1,3,5, ... Shapiro steps), while the latter is usuallyconsidered as a fingerprint of helical surface states in Dirac semimetals and topological insulators. We argue,that our experiment confirms Josephson current through the topological hinge states in NiTe2: since one canexclude bulk supercurrent in 5 µm long Josephson junctions, interference of the hinge modes is responsible forthe πperiodicity, while stable odd Shapiro steps reflect chiral character of the topological hinge states.

About the authors

D. Yu. Kazmin

Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: dev@issp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

V. D. Esin

Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: dev@issp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

A. V. Timonina

Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: dev@issp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

N. N. Kolesnikov

Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: dev@issp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

E. V. Deviatov

Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: dev@issp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

References

  1. B. A. Volkov and O. A. Pankratov, JETP Lett. 42, 178 (1985).
  2. M. Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
  3. X.-L. Qi and S.-C. Zhang, Rev. Mod. Phys. 83, 1057 (2011).
  4. A. Bansil, H. Lin, and T. Das, Rev. Mod. Phys. 88, 021004 (2016).
  5. C.-K. Chiu, J. C. Teo, A. P. Schnyder, and S. Ryu, Rev. Mod. Phys. 88, 035005 (2016).
  6. N. P. Armitage, E. J. Mele, and A. Vishwanath, Rev. Mod. Phys. 90, 15001 (2018).
  7. J. H. Lee, G.-H. Lee, J. Park, J. Lee, S.-G. Nam, Y.-S. Shin, J. S. Kim, and H.-J. Lee, Nano Lett. 14, 5029 (2014).
  8. O. O. Shvetsov, A. Kononov, A. V. Timonina, N.N.Kolesnikov, and E. V. Deviatov, JETP Lett. 107, 774 (2018).
  9. O. O. Shvetsov, A. Kononov, A. V. Timonina, N.N.Kolesnikov, and E. V. Deviatov, EP 124, 47003 (2018).
  10. C. Huang, B. T. Zhou, H. Zhang, B. Yang, R. Liu, H. Wang, Y. Wan, K. Huang, Z. Liao, E. Zhang, S. Liu, Q. Deng, Y. Chen, X. Han, J. Zou, X. Lin, Z. Han, Y. Wang, K. Tuen Law, and F. Xiu, Nat. Comm. 10, 2217 (2019).
  11. O. O. Shvetsov, V. D. Esin, Yu. S. Barash, A.V.Timonina, N. N. Kolesnikov, and E. V. Deviatov, Phys. Rev. B 101, 035304 (2020).
  12. Y. Wang, S. Yang, P. K. Sivakumar, B.R.Ortiz, S.M. L.Teicher, H. Wu, A. K. Srivastava, C. Garg, D. Liu, S. S. P. Parkin, E. S. Toberer, T. McQueen, S. D. Wilson, and M.N.Ali, arXiv:2012.05898. Sci.Adv.9, eadg7269 (2023), doi: 10.1126/sciadv.adg7269
  13. Cai-Zhen Li, Chuan Li, Li-Xian Wang, Shuo Wang, Zhi-Min Liao, Alexander Brinkman, and Da-Peng Yu, Phys. Rev. B 97, 115446 (2018), doi: 10.1103/PhysRevB.97.115446
  14. S. Hart, H. Ren, T. Wagner, P. Leubner, M.Mühlbauer, C. Brüe, H. Buhmann, L.W.Molenkamp, and A. Yacoby, Nature Physics 10, 638 (2014), doi: 10.1038/nphys3036
  15. V. S. Pribiag, A. J. A. Beukman, Fanming Qu, M.C.Cassidy, C. Charpentier, W. Wegscheider, and L. P. Kouwenhoven, Nature Nanotechnology 10, 593 (2015).
  16. W. Yu, W. Pan, D. L. Medlin, M. A. Rodriguez, S.R. Lee, Z. Bao, and F. Zhang, Phys. Rev. Lett. 120, 177704 (2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.177704
  17. R. A. Snyder, C. J. Trimble, C. C. Rong, P. A. Folkes, P. J. Taylor, and J.R.Williams, Phys. Rev. Lett. 121, 097701 (2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.121.097701
  18. B. J. Wieder, Zhijun Wang, J. Cano, B. Bradlyn, and B. A. Bernevig, Nature Commun. 11, 627 (2020), doi: 10.1038/s41467-020-14443-5
  19. W. A. Benalcazar, B. A. Bernevig, and T. L.Hughes, Phys. Rev. B 96, 245115 (2017).
  20. D. Calugaru, V. Juricic, and B. Roy, Phys. Rev. B 99, 041301 (2019).
  21. Cai-Zhen Li, An-Qi Wang, Chuan Li, Wen-Zhuang Zheng, A. Brinkman, Da-Peng Yu, and Zhi-Min, Liao Phys. Rev. Lett. 124, 156601 (2020)
  22. B. Ghosh, D. Mondal, C.-N. Kuo, C. S. Lue, J.Nayak, J. Fujii, I. Vobornik, A. Politano, and A. Agarwal, Phys. Rev. B 100, 195134 (2019).
  23. S. Mukherjee, S. W. Jung, S. F. Weber, C.Xu, D.Qian, X. Xu, P. K. Biswas, T. K. Kim, L.C.Chapon, M. D. Watson, J. B. Neaton, and C. Cacho, Sci. Rep. 10, 12957 (2020)
  24. B. Pal, A. Chakraborty, P. K. Sivakumar, M.Davydova, A. K. Gopi, A. K. Pandeya, J. A. Krieger, Yang Zhang, M. Date, Sailong Ju, Noah Yuan, N.B.M. Schröter, Liang Fu, and S. S. P. Parkin, Nat. Phys. 18, 1228 (2022), doi: 10.1038/s41567022-01699-5
  25. V. D. Esin, O. O. Shvetsov, A. V. Timonina, N.N. Kolesnikov, and E. V. Deviatov, Nanomaterials 12, 4114 (2022), doi: 10.3390/nano12234114
  26. Tian Le, Ruihan Zhang, Changcun Li, Ruiyang Jiang, Haohao Sheng, Linfeng Tu, Xuewei Cao, Zhaozheng Lyu, Jie Shen, Guangtong Liu, Fucai Liu, Zhijun Wang, Li Lu, and Fanming Qu, Nature Commun. 2785 (2024), arXiv:2303.05041, doi: 10.1038/s41467-024-47103-z
  27. C. Xu, B. Li, W. Jiao, W. Zhou, B. Qian, R. Sankar, N. D. Zhigadlo, Y. Qi, D. Qian, F.-C.Chou, and X. Xu, Chem. Mater. 30, 4823 (2018).
  28. Q. Liu, F. Fei, B. Chen, X. Bo, B. Wei, S. Zhang, M. Zhang, F. Xie, M. Naveed, X. Wan, F. Song, and B. Wang, Phys. Rev. B 99, 155119 (2019).
  29. Z. Feng, J. Si, T. Li, H. Dong, C. Xu, J.Yang, Z. Zhang, K. Wang, H. Wu, Q. Hou, J.-J. Xing, S.Wan, S. Li, W. Deng, J. Feng, A. Pal, F.Chen, S.Hu, J.-Y. Ge, C. Dong, S. Wang, W. Ren, S.Cao, Y. Liu, X. Xu, J. Zhang, B. Chen, and N.-C.Yeh, Materials Today Phys. 17, 100339 (2021).
  30. O. O. Shvetsov, Yu. S. Barash, A. V. Timonina, N. N. Kolesnikov, and E. V. Deviatov, JETP Let. 115, 267 (2022), doi: 10.1134/S0021364022100101
  31. V. D. Esin, D. Yu. Kazmin, Yu. S. Barash, A. V. Timonina, N. N. Kolesnikov, and E.V.Deviatov, JETP Lett. 118, 847 (2023), doi: 10.1134/S0021364023603329
  32. I. O. Kulik, Sov. Phys. JETP 30, 944 (1970).
  33. P. Dubos, H. Courtois, B. Pannetier, F. K. Wilhelm, A. D. Zaikin, and G. Schön, Phys. Rev. B 63, 064502 (2001)
  34. A. M. Toxen, Phys. Rev. 123, 442 (1961).
  35. P. Scharnhorst, Phys. Rev. B 1, 4295 (1970).
  36. K. K. Likharev, Rev. Mod. Phys. 51, 101 (1979).
  37. I. Sochnikov, L. Maier, C. A.Watson, J. R. Kirtley, C. Gould, G. Tkachov, E. M. Hankiewicz, C.Brune, H. Buhmann, L.W.Molenkamp, and K.A.Moler, Phys. Rev. Lett. 114, 066801 (2015)
  38. E. Bocquillon, J. Wiedenmann, R. S. Deacon, T.M.Klapwijk, H. Buhmann, and L.W.Molenkamp, Microwave Studies of the Fractional Josephson Effect, HgTe-Based Josephson Junctions, in: Topological Matter, ed. by D. Bercioux, J. Cayssol, M. Vergniory, and M. Reyes Calvo, Springer Series in Solid-State Sciences, Vol. 190, Springer (2018).
  39. C. Vanneste, C. C. Chi, W. J. Gallagher, A.W.Kleinsasser, S. I. Raider, and R. L. Sandstrom, J. Appl. Phys. 64, 242 (1988), doi: 10.1063/1.341471
  40. R. C. Dinsmore III, Myung-Ho Bae, and A.Bezryadin, Appl. Phys. Lett. 93, 192505 (2008), doi: 10.1063/1.3012360
  41. A. Valizadeh, M. R. Kolahchi, and J. P. Straley, J. Nonlinear Math. Phys. 15, 407 (2008).
  42. S. M. Frolov, D. J. Van Harlingen, V. V. Bolginov, V. A. Oboznov, and V. V. Ryazanov, Phys. Rev. B 74, 020503 (2006).
  43. L. Chen, P. Chen, and C. K. Ong, Appl. Phys. Lett. 80, 1025 (2002).
  44. A. Leblanc, C. Tangchingchai, Z. Sadre Momtaz, E. Kiyooka, J.-M. Hartmann, F. Gustavo, J.-L.Thomassin, B. Brun, V. Schmitt, S. Zihlmann, R. Maurand, E. Dumur, S. De Franceschi, and F. Lefloch, arxiv:2405.14695
  45. S. Messelot, N. Aparicio, E. de Seze, E. Eyraud, J. Coraux, K. Watanabe, T. Taniguchi, and J. Renard, arxiv:2405.13642
  46. L. Banszerus, C. W. Andersson, W. Marshall, T. Lindemann, M. J. Manfra, C. M. Marcus, and S. Vaitiekenas, arxiv:2406.20082

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».