物理学院闻海虎、杨欢团队在铁基超导体上镀制的铋岛中直接观测到拓扑超导零能模

物理学院闻海虎、杨欢团队在铁基超导体上镀制的铋岛中直接观测到拓扑超导零能模


拓扑超导是目前凝聚态物理研究中的一个重要前沿方向。在拓扑超导体中能够激发与自身反粒子等同的马约拉纳费米子或模(Majorana fermion/mode有助于实现容错性的量子计算。马约拉纳模在电子隧道谱上表现在零能有个电导峰,而这一现象能够在拓扑超导体中被发现。根据前期报道,马约拉纳零能模在为数不多的拓扑超导的磁通芯子内以及在超导体上生长的一维磁性原子链顶端被观察到。因此,在其他容易制备的材料结构中寻找马约拉纳零能模具有非常重要的科学意义

南京大学物理学院闻海虎杨欢教授团队在铁基超导体Fe(Te,Se)表面成功生长出纳米尺寸原子,并在一些直径在6-8nm左右岛表面直接测量到零偏压电导峰而且此零能峰在这些表面各处探测到通过进一步研究和分析,他们认为这些零能模符合马约拉纳的特征该工作为寻找马约拉纳模提供了一种新的容易集成的材料平台,为日后开发新的量子计算器件提供了新方案。该工作以"Robust Zero Energy Modes on Superconducting Bismuth Islands Deposited on Fe(Te,Se)"为题于2020513日发表在Nano Letters 2020, 20,2965-2972

他们利用铁基超导体Fe(Te,Se)作为基底,在上面利用分子束外延技术生长出纳米尺寸的单质铋元素形成的岛这些岛的面内尺寸在几个到十几个纳米,高度在几个到十几个埃。他们利用扫描隧道技术能够观测到铋岛上通过基底的临近效应诱导出超导电性他们进一步发现一些尺寸在6-8 nm的岛(如图1a,c所示)上,能够观测到清晰的零能峰,这些零能峰不仅仅在边缘而在整个铋岛表面都被发现,其的位置基本固定在零能,如图1(b)和图1(d)所示。除此之外,他们还进一步研究了零能模随温度的升高和外磁场的增加如何演变,这些结果对研究其形成机理具有指导意义。研究成果提供了一种新的材料构型来实现马约拉纳模,可能会帮助进行马约拉纳模的编织并最终应用于拓扑量子计算。

1. 铁基超导体FeTe0.55Se0.45上生长的Bi岛上观察到的零能。(a) 面内尺寸8nm左右的Bi岛的形貌;(b) Bi岛上(黑色和绿色)及其周围(红色)测量的隧道谱,可见在Bi岛上清晰观测到一个零能模(c)Bi岛顶端看见的图像;(d,e) 跨越这个Bi岛(图c虚线)测量的隧道谱,可以发现整个Bi岛上都有零能峰,出了Bi岛零能模就消失了



该最新成果是闻海虎、杨欢教授团队独立完成的,陈晓宇、陈明扬同学为文章共同第一作者,闻海虎教授和杨欢教授为共同通讯作者。


此工作得到教育部一流学科建设、国家重点研发计划、自然科学基金委和2011计划"人工微结构科学与技术协同创新中心"的支持,在此表示感谢。


文章链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04639


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