Opdagelse af nul-energi bundne tilstande i begge ender af en endimensionel atomlinjefejl

I de seneste år, udviklingen af ​​kvantecomputere ud over klassiske computers evne er blevet en ny grænse inden for videnskab og teknologi og en nøgleretning for at realisere kvanteoverlegenhed. Imidlertid, konventionel kvanteberegning har en alvorlig udfordring på grund af kvantedekoherens -effekt og kræver en betydelig mængde fejlkorrektion i skalering af kvantequbits. Derfor, udforskningen af ​​fejltolerant kvanteberegning ved hjælp af kvantetilstande topologisk beskyttet mod lokale miljøforstyrrelser er et vigtigt forsøg på både grundlæggende værdi og teknologisk betydning for at realisere storskala kvanteberegning.

Majorana nul-energibundne tilstande (ZEBS'er) i kondenserede materiesystemer såsom superledere er sådanne sjældne kvantetilstande med topologisk beskyttelse mod lokale forstyrrelser. Disse såkaldte Majorana zero modes (MZM'er) er ladningsneutrale og adlyder ikke-abelsk udvekslingsstatistik og fungerer som byggesten for topologiske qubits. MZM'er forudsiges teoretisk at eksistere i vortexkernen af ​​p-bølge topologiske superledere eller i enderne af endimensionale (1-D) topologiske superledere. At være en ZEBS, en af ​​de vigtigste egenskaber ved MZM er differentialkonduktansetoppene for tunneling ved nulspændingsspænding. Eksperimentelt, de nuværende Majorana -platforme omfatter følgende. Den ene bruger en tredimensionel (3-D) topologisk isolator nærhedskobling til en s-bølge superleder til at realisere de superledende topologiske overfladetilstande og detektere hvirveltilstandene ved at anvende et magnetfelt. Den anden bruger en 1-D spin-kredsløbskobling nanotråd nærhedskobling til en s-bølge superleder til at detektere nul-bias konduktans toppe i enderne under et eksternt magnetfelt. Imidlertid, den komplicerede fremstilling af hybridstrukturer, den ekstremt lave temperatur og det anvendte magnetfelt, der kræves til observation, udgør store udfordringer for den mulige anvendelse af MZM'er.

For nylig, Professor Wang Jians gruppe ved Peking University, i samarbejde med professor Wang Ziqiangs gruppe ved Boston College, opdagede MZM'er i begge ender af 1-D atomlinjefejl i todimensionale (2-D) jernbaserede høj temperatur superledere og gav en lovende platform til at detektere topologiske nul-energi excitationer ved en højere driftstemperatur og under nul ekstern magnetisk Mark. Wang Jians gruppe voksede med succes stort område og høj kvalitet en-celle-tyk FeTe i høj kvalitet _0,5 Se _0,5 film på SrTiO ₃ (001) substrater ved molekylær stråle epitaxy (MBE) teknik, som viser Tc (~ 62 K) meget højere end den (~ 14,5 K) i bulk Fe (Te, Se). Ved in situ lavtemperatur (4,2 K) scanningstunnelmikroskopi/spektroskopi (STM/STS), de 1-D atomlinjefejl, der dannes af de manglende øverste Te/Se-atomer, kan tydeligt identificeres på monolaget FeTe _0,5 Se _0,5 film. ZEBS'erne detekteres i begge ender af 1-D-atomlinjefejlen (figur 1), mens tunnelspektre i midten af ​​linjefejlen genopretter de fuldt gabede superledende tilstande. Når temperaturen stiger, ZEBS reducerer i intensitet, og forsvinder til sidst ved en temperatur (ca. 20 K) langt under Tc. ZEBS deler sig ikke med stigende tunnelbarriere konduktans og bliver skarpere og højere, når spidsen nærmer sig filmen, viser den robuste ejendom. I øvrigt, på den kortere defektkæde, koblingen mellem ZEBS'erne i begge ender fører til reducerede nul-bias konduktanstoppe selv i den midterste sektion af atomlinjefejlkæden (figur 2). Den positive sammenhæng mellem nul-bias konduktans og liniedefektlængder kan udledes af statistikken. ZEBS'ernes spektroskopiske egenskaber, herunder udviklingen af ​​spidshøjden og -bredden med temperatur, den forsvindende temperatur af ZEBS, tunnelspektre i spidsfremstillingsprøveproces, såvel som usplittet ejendom findes i overensstemmelse med MZMs fortolkning. Andre muligheder som Kondo -effekt, konventionelle urenhedstilstande eller Andreev nul-energi bundne tilstande i nodale højtemperatur superledere kan generelt udelukkes.

Professor Wang Ziqiangs gruppe ved Boston College foreslog en mulig teoretisk forklaring ved at udvide bandteorien om Shockley -overfladetilstanden til superledere. På grund af den store spin-orbit-kobling, 1-D atomlinjefejl i monolag FeTe _0,5 Se _0,5 film kan blive en spirende 1-D topologisk superleder og et Kramers-par MZM'er, der vises i enderne af linjefejlen beskyttet af tidsomvendt symmetri. Selv uden tidsomvendt symmetri langs liniedefekten, den 1-D topologiske superleder kan også realiseres med et enkelt MZM placeret i hver ende af kæden. Dette arbejde, for første gang, afslører en klasse af topologiske nul-energi excitationer i begge ender af 1-D atomlinjefejl i 2-D høj temperatur superledende monolag FeTe _0,5 Se _0,5 film, som viser fordelene ved at være et enkelt materiale, højere driftstemperatur og nul eksternt magnetfelt, og kan tilbyde en ny platform for fremtidige realiseringer af gældende topologiske qubits.

Avisen blev udgivet online af Naturfysik