Næsten kvantiseret konduktansplateau af hvirveltilstand i en jernbaseret superleder

Når en halvledende nanotråd kobles til en superleder, den kan indstilles til topologiske kvantetilstande, der menes at være vært for lokaliserede kvasipartikler kendt som Majorana Zero Modes (MZM). MZM'er er deres egne antipartikler, med lovende applikationer inden for topologisk kvanteberegning. På grund af partikel-antipartikel-ækvivalens, MZM'er udviser kvantiseret konduktans ved lave temperaturer. Mens der eksisterer mange teoretiske forslag til at realisere MZM'er i solid state-systemer, deres eksperimentelle erkendelse konfronteres med ikke-idealiteter.

I en ny rapport i Videnskab , Shiyu Zhu og et team af tværfaglige forskere i Kina og USA brugte variabel-tunnel-koblet scanning tunneling spektroskopi til at studere tunneling konduktans af hvirvelbundne tilstande af superledere. For eksempel, superledere har et "gab" i energi i fravær af elektrontilstande - så elektroner kan ikke tunnelere ind, hvorimod ved en hvirvellinje vil magnetfeltet lukke hullet for at danne elektrontilstande. Forskerne rapporterede observationer med FeTe _0,55 Se _0,45 superledere, hvor de registrerede konduktansplateauer som funktion af tunnelkobling for nul-energi hvirvelbundne tilstande, med værdier tæt på og endda nå, den universelle kvantekonduktansværdi 2e ² /h; hvor e, er elektronladningen og h er Plancks konstant. I modsætning, de observerede ikke plateauer på hverken finite energihvirvelbundne tilstande eller inden for kontinuummet af elektroniske tilstande uden for det superledende mellemrum. Denne adfærd med nul-mode konduktans understøttede eksistensen af ​​MZM'er i FeTe _0,55 Se _0,45 krystaller _.

Majorana Zero Modes (MZM'er) adlyder ikke-abelske statistikker, dvs. excitationer ud over de sædvanlige fermioniske eller bosoniske excitationsmåder, at spille en ekstremt vigtig rolle i kvanteberegning. I de sidste to årtier, fysikere forudsagde MZM'er inden for p-bølge-superledere og spin-orbit-koblede materialer proximiteret (for at realisere egenskaber af et materiale fraværende fra ethvert konstituerende område af heterostrukturen), af s-bølge superledere. Forskere havde observeret eksperimentelle beviser for MZM'er i forskellige systemer, herunder halvleder-superleder nanotråde, topologiske isolator-superleder-heterostrukturer og atomkæder på superledende substrater. Fysikere og materialeforskere har også for nylig udviklet jernbaserede superledere med fuld gap, som en enkelt-materiale platform til at realisere MZM'er. Efterfølgende de fandt beviser for MZM'er i topologiske hvirvler på overfladen af ​​FeTe _0,55 Se _0,45 krystaller ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi/spektroskopi (STM/S).

Konduktansen af ​​en MZM kan udvise et kvantiseret plateau ved tilstrækkeligt lave temperaturer ved værdien af ​​2e ² /h; hvor e er elektronladningen og h Plancks konstant. Denne kvantificerede Majorana-konduktans er et resultat af perfekt resonant Andreev-refleksion - en type partikelspredning, der forekommer ved grænseflader mellem en superleder og materiale i normal tilstand, garanteret af den iboende partikel-hul symmetri af MZM. Forskere havde observeret et kvantiseret konduktansplateau i et InSb-Al nanotrådsystem, i overensstemmelse med eksistensen af ​​MZM'er. Tilsvarende Jernbaserede superledere med nul-bias konduktanstoppe (ZBCP'er) opnået ved brug af STM/S eksperimenter har store topologiske huller og giver mulighed for at observere Majorana kvantiseret konduktans, uden kontaminering fra lavtliggende Caroli-de Gennes-Matricon bundne tilstande (CBS'er). Som et resultat af forudgående eksperimentelle udsigter, Zhu et al. anvender i øjeblikket en variabel tunnelkobling STM/S-metode til at studere Majorana-konduktans over en lang række spids-prøveafstande i hvirvelkerner af FeTe _0,55 Se _0,45 krystal prøver.

Den effektive elektrontemperatur af scanningstunnelmikroskopet (STM) var 377 mK, og forskerne tunede kontinuerligt tunnelkoblingen ved at ændre spids-prøveafstanden, som korrelerede med tunnelbarrierekonduktansen. Ved at påføre et 2 T (Tesla) magnetfelt vinkelret på prøveoverfladen, Zhu et al. observerede en skarp ZBCP (zero-bias conductance peak) ved en hvirvelkerne. Som forventet for en isoleret MZM i en kvantebegrænset hvirvel, ZBCP'et spredte sig ikke eller delte sig over hvirvelkernen. De udførte tunnelkoblingsafhængige målinger på den observerede ZBCP, ved at tilføje STM-spidsen i midten af ​​en topologisk hvirvel, at optage et sæt af dI/dV spektre svarende til elektrontætheden af ​​tilstande ved spidsens position, til forskellige spidsprøveafstande. De observerede, at ZBCP forbliver som en veldefineret top placeret ved nul energi.

For at undersøge partikelhulsymmetrien af ​​MZM'erne, de sammenlignede og kontrasterede konduktansadfærden af ​​nul-energi MZM'er og finite-energy CBS'er (Caroli-de Gennes-Matricon bundne tilstande). Zhu et al. observerede to forskellige typer topologiske og almindelige hvirvler med, eller uden MZM, som adskilte sig ved et halvt heltals niveauskift af hvirvelbundne tilstande. De udførte tunnelkoblingsafhængige målinger på en topologisk hvirvel for at vise et MZM og første CBS niveau, ved 0 meV og ±0,3 meV, de foretog også målinger på en almindelig hvirvel.

Da forskerholdet gentog eksperimenterne i nul magnetfelt på samme sted, de observerede en hård, superledende mellemrum. Forskerne observerede kun konduktansplateauet i ZBCP, hvilket indikerede adfærd unik for Majorana-tilstande. Plateauadfærden observeret i arbejdet gav også bevis for den Majorana-inducerede resonante Andreev-refleksion. Derefter, under elektrontunneling fra en normal elektrode gennem en barriere ind i en superleder, holdet observerede, at Andreev-reflektionsprocessen konverterede den indfaldende elektron til et udgående hul i den samme elektrode. Dette resulterede i et dobbeltbarrieresystem i partikelhullet Hilbert-rummet (et abstrakt vektorrum i kvantemekanikken).

I tilfælde af Andreev refleksion gennem en enkelt MZM, lige amplituder af partikel/hul-komponenter på grund af partikel-antipartikel-ækvivalens af MZM'er sikrede identisk tunnelkobling, med elektronen og hullet i den samme elektrode (Γ _e =Γ _h ). Som resultat, den resonante Andreev-refleksion medieret gennem en enkelt MZM førte til en 2e ² /h-kvantiseret nul-bias konduktansplateau. I modsætning, lavenergi-CBS og andre trivielle sub-gap-tilstande indeholder ikke Majorana-symmetri, og forholdet mellem elektronen og hullet er brudt i en CBS-medieret Andreev-refleksion, forårsager et fravær af et konduktansplateau. Desuden, når Zhu et al. fjernede magnetfeltet i det eksperimentelle system, det observerede nul-bias konduktansplateau i hvirvelkernen forsvandt, observationerne kunne derfor ikke krediteres kvanteballistisk transport.

Forskerne observerede plateauadfærden af ​​ZBCP'er gentagne gange i mange topologiske hvirvler på tværs af 60 målinger. For at forstå virkningerne af instrumentel udvidelse på Majorana-konduktansplateauer, forskerne varierede moduleringsspændingen (V _mod ). Dette gav dem mulighed for at studere V _mod -udvikling af Majorana konduktans plateauer på en given topologisk hvirvel. Zhu et al. testede derefter reversibiliteten af ​​processen ved at variere tunnelkoblingen i STM. De fandt ud af, at både topografi og konduktansplateauet kunne reproduceres efter to gentagne sekvenser for at indikere fraværet af irreversibel skade på spidsen og prøven under målinger. Forskerholdet kræver yderligere teoretisk indsats for at opnå fuldstændig forståelse af eksperimenterne, da de ikke udelukkede andre mekanismer relateret til nul-bias konduktans plateauer.

På denne måde observationen af ​​et nul-bias konduktansplateau i en eksperimentel todimensionel hvirvel nærmede sig den kvantiserede konduktansværdi på 2e ² /h. I dette arbejde, Shiyu Zhu og kolleger leverede rumligt opløst spektroskopisk bevis for Majorana-induceret resonanselektrontransmission ind i en bulksuperleder. Resultaterne bevæger sig et skridt videre mod anvendelser af fletteoperatorer til at beskrive topologiske sammenfiltringer eller universelle kvanteporte til topologisk kvanteberegning.

© 2019 Science X Network