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当半导体纳米线与超导体耦合时,会发生怎样有趣的变化?

当半导体纳米线与超导体耦合时,它可以被调谐到拓扑量子态,这种量子态被认为是被称为马约拉纳零模(MZM)局域准粒子的宿主。

当半导体纳米线与超导体耦合时,它可以被调谐到拓扑量子态,这种量子态被认为是被称为马约拉纳零模(MZM)局域准粒子的宿主。马约拉纳零模是它们自己的反粒子,在拓扑量子计算中有很好的应用前景。由于粒子-反粒子的等效性,马约拉纳零模在低温下表现出量子化的电导。虽然在固态系统中实现马约拉纳零模的理论很多,但实验实现面临着非理想化的问题,新的研究成果发表在《科学》期刊上。

一组跨学科研究人员利用可变隧道耦合扫描隧道光谱研究了超导体涡旋束缚态的隧道电导。例如,在没有电子态的情况下,超导体在能量上有一个“间隙”,所以电子不能隧道进入,而在涡旋线上,磁场会关闭间隙,形成电子态。研究对FeTe0.55Se0.45超导体的观察,记录了零能涡旋束缚态电导平台作为隧道耦合的函数,其值接近甚至接近普适量子电导值2e2/h;其中e是电子电荷,h是普朗克常数。

相反,既没有在有限能量涡旋束缚态上观察到平台,也没有在超导禁带外的电子态连续体内观察到平台,这种零模电导行为支持了FeTe0.55Se0.45晶体中马约拉纳零模的存在。马约拉纳零模(MZM)遵循非阿贝尔统计,即超出通常的费米子或玻色子激发模式的激发,在量子计算中起着极其重要的作用。在过去二十年里,物理学家预测了p波超导体和自旋轨道耦合材料中马约拉纳零模被s波超导体近似化(以实现不存在于异质结构的任何组成区域材料的性质)。

研究人员已经在各种系统中观察到了马约拉纳零模的实验证据,包括半导体-超导纳米线,拓扑绝缘体-超导体异质结构和超导衬底上的原子链。物理学家和材料科学家现在也开发了全间隙铁基块体超导体,作为实现马约拉纳零模的单材料平台。研究使用扫描隧道显微镜/光谱(STM/S)发现了FeTe0.55Se0.45晶体表面拓扑涡中存在马约拉纳零模的证据。在2e2/h足够低的温度下,马约拉纳零模的电导可以呈现量子化平台;其中e是电子电荷,h是普朗克常数。

这种量子化的马约拉纳零模电导来自完美共振安德列夫反射,这是一种发生在超导体和正常态材料之间界面上的粒子散射,由马约拉纳零模固有粒子-空穴对称性保证。科学家们在InSb-Al纳米线系统中观察到了一个量子化的电导平台,这与马约拉纳零模的存在一致。同样,通过STM/S实验获得具有零偏置电导峰(ZBCP)的铁基超导体具有很大拓扑带隙,并且提供了观察马约拉纳零模量子化电导的可能性,而不受低位Caroli-de Gennes-Matricon束缚态(CBSS)的污染。

由于前面的实验前景,目前采用变隧道耦合STM/S方法研究了FeTe0.55Se0.45晶体涡心大范围尖端-样品间距的马约拉纳零模电导。扫描隧道显微镜(STM)的有效电子温度为377mK,研究人员通过改变针尖-样品距离(与隧道势垒电导相关)来连续调谐隧道耦合。通过施加垂直于样品表面的2T(特斯拉)磁场,在涡核观察到一个尖锐的ZBCP(零偏压电导峰)。正如预期的那样,对于量子限制涡旋中的孤立马约拉纳零模,ZBCP没有在涡核上分散或分裂。在观测到的ZBCP上进行了隧道耦合测量,通过在拓扑涡的中心添加STM针尖

记录了一组对应于针尖位置电子态密度的Di/dV谱,对于不同的针尖-样品距离。为了检验马约拉纳零模的粒子-空穴对称性,研究比较了零能马约拉纳零模和有限能CBS(Caroli-de Gennes-Matricon束缚态)的电导行为。观测到有或没有马约拉纳零模的两种不同类型拓扑涡旋和普通涡旋,其涡束束缚态的能级位移为半整数。同时对拓扑涡进行了隧道耦合相关的测量,得到了马约拉纳零模和第一CBS能级。当研究小组在同一位置的零磁场中重复实验时,观察到了一个坚硬的超导间隙。

科学家们只在ZBCP中观察到了电导平台特征,这表明了马约拉纳零模特有的行为。研究中观察到的平台行为也为马约拉纳零模诱导的共振安德列夫反射提供了证据。此后,在电子从正常电极通过势垒隧道进入超导体的过程中,研究小组观察到安德列夫反射过程将入射电子转化为同一电极内的出射空穴。这导致了粒子-空穴希尔伯特空间中的双势垒系统。在安德列夫反射通过单个马约拉纳零模的情况下,由于马约拉纳零模粒子-反粒子等效,粒子/空穴分量的相等幅度确保了相同隧道耦合,电子和空穴在同一电极上(Γe=Γh)。

因此,通过单个马约拉纳零模的共振Andreev反射,产生了2e2/h量子化的零偏置电导平台。相反,低能CBS和其他亚能隙态不包含马约拉纳零模对称性,在CBS介导的Andreev反射中电子和空穴之间的关系被打破,导致没有电导。此外,去除实验系统中的磁场后,观测到的涡核零偏置电导平台消失,不能归结为量子轨道输运。科学家们在60次测量中重复观察了ZBCP在许多拓扑涡中的行为。为了了解仪器加宽对马约拉纳电导平台的影响,科学家们改变了调制电压(Vmod)。

这使得能够研究给定拓扑涡旋上马约拉纳电导平台的Vmod演化。然后通过在扫描隧道显微镜中改变隧道耦合来测试该过程的可逆性。发现,在两个重复序列之后都可以重现,以表明在测量过程中尖端和样品没有不可逆转的损害。研究小组需要进一步的理论来对实验的完整理解,因为没有排除与零偏置电导平台相关的其他机制。其结果在应用编织算符描述拓扑纠缠或用于拓扑量子计算的通用量子门方面又向前迈进了一步。

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