一维原子线缺陷两端的零能束缚态的发现

时间:2020-04-06 18:36 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

一维原子线缺陷两端的零能束缚态的发现

近年来,超越经典计算机能力的量子计算机的发展成为科学技术的新前沿和实现量子霸权的关键方向。然而,由于量子退相干效应,传统的量子计算面临着严峻的挑战,需要对量子位的标度进行大量的误差校正。因此,利用拓扑保护量子态不受局域环境扰动的影响,探索容错量子计算是实现大规模量子计算的重要基础价值和技术意义。

凝聚态系统中的零能束缚态(ZEBSs)是一种罕见的具有局部扰动拓扑保护的量子态。这些所谓的马约阿纳零模式(MZMs)是电荷中性的,服从非阿贝耳交换统计,是拓扑量子位的基本单位。从理论上预测,MZMs存在于p波拓扑超导体的涡核或一维拓扑超导体的末端。作为一个ZEBS, MZM的主要特征之一是在零偏压下隧穿的微分电导峰。实验上,目前的马略亚纳平台包括以下几个部分。一种是利用三维(3-D)拓扑绝缘体与横波超导体的近似耦合实现超导拓扑表面态,并通过施加磁场检测涡流态。另一种方法是利用一维自旋轨道耦合纳米线与横波超导体的近似耦合来检测外磁场作用下两端的零偏导峰值。然而,混合结构的复杂制作、观测所需的极低温和外加磁场对MZMs的可能应用提出了巨大的挑战。

最近,北京大学教授王建的小组与王教授自强的小组合作在波士顿大学,发现mzm两端的一维原子线二维(2 d)铁基高温超导体和缺陷检测提供了一个有前途的平台拓扑零耗能作用下在更高的操作温度和外部磁场为零。王建课题组利用分子束外延(MBE)技术在SrTiO3(001)衬底上成功生长出大面积、高质量的单胞厚度FeTe0.5Se0.5膜,结果表明,在Fe(Te,Se)中,Tc (~62 K)比体积Fe(Te,Se)高得多(~14.5 K)。通过原位低温(4.2 K)扫描隧道显微镜/光谱学(STM/STS)技术,可以在单层FeTe0.5Se0.5膜上清晰地识别缺失的最上层Te/Se原子形成的一维原子线缺陷。在一维原子线缺陷的两端检测到ZEBSs(图1),而在线缺陷中间的隧穿光谱恢复到完全间隙的超导态。随着温度的升高,ZEBS强度降低,最终在远低于Tc的温度(约20k)下消失。ZEBS不随隧穿势垒电导的增加而分裂,当尖端接近薄膜时变得更尖锐、更高,表现出鲁棒性。此外,在较短的缺陷链上,两端ZEBSs之间的耦合导致原子线缺陷链中间的零偏电导峰值降低(图2)。从统计量可以推导出零偏电导与线缺陷长度之间的正相关关系。发现ZEBSs的光谱性质,包括峰高和峰宽随温度的演化、ZEBS的消失温度、接近样品过程中的隧穿光谱以及未分裂性质与MZMs的解释一致。其他的可能性,如康多效应、传统的杂质态或节点高温超导体中的安德烈夫零能束缚态,一般都可以排除。

一维原子线缺陷两端的零能束缚态的发现

波士顿学院的王自强教授的团队提出了一种可能的理论解释,他们将肖克利表面态的能带理论扩展到超导体的情况。由于大的自旋轨道耦合,单层FeTe0.5Se0.5膜中的一维原子线缺陷可能成为突现的一维拓扑超导体和在时间反转对称保护的线缺陷末端出现的克雷默斯对MZMs。即使没有沿缺陷线的时间反转对称,一维拓扑超导体也可以通过位于链两端的单个MZM来实现。这项工作,首次揭示了一类拓扑两端零耗能激发态的原子线缺陷一维二维高温超导单层FeTe0.5Se0.5电影,展示的优势作为一个单一的材料,更高的操作温度和零外部磁场,可能提供一个新的平台为未来实现拓扑量子位的适用。

这篇论文发表在《自然物理》杂志的网站上

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