当前位置:首页 >> 基金要闻 >> 资助成果

 

    我国学者在二维高温超导马约拉纳零能束缚态研究中取得重要进展

    日期 2020-03-12   来源:数理科学部   作者:姜向伟 郭海中 倪培根  【 】   【打印】   【关闭

    图:一维原子缺陷链两端的零能束缚态。a, 一维长原子链缺陷的STM形貌图(约15个Te/Se原子长度)。b, 零偏压电导成像图。c,一维原子链缺陷下端点和中间位置的扫描隧穿谱。d,沿一维原子链缺陷的扫描隧穿线谱(沿a中的红色箭头)。e,一维原子链缺陷下端的零能束缚态随温度的依赖关系。彩色曲线是实验得到的归一化隧穿谱。灰色曲线是由费米-狄拉克分布方程得到的高温卷积曲线。f,一维原子链缺陷下端的零能束缚态随隧穿势垒的依赖关系。

     

      在国家自然科学基金项目(批准号:11888101、11774008)等资助下,北京大学量子材料科学中心王健教授研究组与波士顿学院汪自强教授研究组合作,在二维高温超导马约拉纳零能束缚态研究中发现一类拓扑线缺陷端点处的零能激发,为实现较高温度下无外加磁场的拓扑零能激发态提供了一种可能。该成果以“单层铁碲硒高温超导体中的原子链缺陷和零能端点态(Atomic line defects and zero-energy end statesin monolayer Fe(Te,Se) high-temperaturesuperconductors)”为题,于2020年3月9日在线发表在《自然•物理》(Nature Physics)杂志上,文章链接:https://www.nature.com/articles/s41567-020-0813-0。

      近年来,量子计算机研制成为科技前沿焦点和量子超越核心方向。量子计算研究面临退相干、量子纠错等重要科学问题,探索可容错的量子计算成为实现规模化的重要途径。马约拉纳准粒子因其受拓扑保护,满足非阿贝尔统计,具备抗局域干扰和高容错的特性,被认为是实现拓扑量子比特的基础。理论预言马约拉纳零能模存在于p波拓扑超导体的磁通涡旋中心或一维拓扑超导的端点处。然而,构造这类异质结构需要复杂的制造工艺,测量时需要极低温和外加磁场,这些条件给马约拉纳零能模的应用带来极大困难和挑战。

      北京大学王健教授带领的实验团队通过分子束外延技术,在钛酸锶衬底上成功制备出大尺度、高质量的单层铁碲硒(FeTe0.5Se0.5)高温超导薄膜,其超导转变温度 ,远高于块材Fe(Te,Se)的转变温度(Tc≈14.5K)。他们利用原位低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱技术,在薄膜表面发现一种由最上层Te/Se原子缺失形成的一维原子链缺陷,在其两端同时观测到了零能束缚态。进一步研究发现:随着温度升高,零能束缚态的峰高逐渐降低,最终在远低于 时消失(约20 K);随着隧穿势垒电导变大,零能束缚态峰迅速升高且未发生劈裂;当一维原子链较短时,缺陷两端的零能束缚态发生一定程度的耦合,其峰高与缺陷链长度正相关。这些零能束缚态的性质与马约拉纳零能模的特征相符。汪自强研究组提出了一种可能的理论解释:在强自旋轨道耦合作用下,单层FeTe0.5Se0.5薄膜表面的一维原子链缺陷可以是衍生一维拓扑超导体,其端点处会产生受时间反演对称性保护的一对马约拉纳零能模。时间反演对称性破缺也可产生一维原子链缺陷拓扑超导体,两个端点各产生一个马约拉纳零能模。

      这一工作首次揭示了二维高温超导体FeTe0.5Se0.5单层薄膜中的一类拓扑线缺陷端点处的零能激发,具备单一材料、较高工作温度和零外加磁场等优势,为进一步实现可应用的拓扑量子比特提供了一种可能的方案。




版权所有:国家自然科学基金委员会 京ICP备05002826号

地址:北京市海淀区双清路83号 邮编:100085    

京公网安备 11040202500068号