Electrostatic environment and Majorana bound states in full-shell topological insulator nanowires

纳米线 马约拉纳 凝聚态物理 拓扑绝缘体 超导电性 物理 束缚态 弯曲半径 拓扑(电路) 热传导 量子力学 弯曲 数学 热力学 组合数学
作者
Li Chen,Xiao-Hong Pan,Zhan Cao,Dong E. Liu,Xin Liu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (7) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.075408
摘要

The combination of a superconductor (SC) and a topological insulator (TI) nanowire was proposed as a potential candidate for realizing Majorana zero modes (MZMs). In this study, we adopt the Schr\"odinger-Poisson formalism to incorporate the electrostatic environment inside the nanowire and systematically explore its topological properties. Our calculations reveal that the proximity to the SC induces a band bending effect, leading to a nonuniform potential across the TI nanowire. As a consequence, there is an upward shift of the Fermi level within the conduction band. This gives rise to the coexistence of surface and bulk states, localized in an accumulation layer adjacent to the TI-SC interface. When magnetic flux is applied, these occupied states have different flux-penetration areas, suppressing the superconducting gap. However, this impact can be mitigated by increasing the radius of the nanowire. Finally, we demonstrate that MZMs can be achieved across a wide range of parameters centered around one applied flux quantum, ${\ensuremath{\phi}}_{0}=h/2e$. Within this regime, MZMs can be realized even in the presence of conduction bands. Moreover, the realization of MZMs is not affected by the band bending effect. These findings provide valuable insights into the practical realization of MZMs in TI nanowire-based devices, especially in the presence of a complicated electrostatic environment.
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