费米子|首次在铁基超导块体中发现马约拉纳任意子丨物理所入选“率先行动”第一阶段成果进展( 二 )


费米子|首次在铁基超导块体中发现马约拉纳任意子丨物理所入选“率先行动”第一阶段成果进展
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图2. 在FeTe0.55Se0.45样品表面磁通涡旋中观察到的马约拉纳零能束缚态(任意子 , STS谱图)
该工作观察到的马约拉纳零能模与以往发表的实验结果不同 , 探测到的马约拉纳束缚态峰位不随空间位置变化 , 实验峰宽接近于系统的能量分辨率 。 该联合研究团队还验证了马约拉纳束缚态在不同隧道结、磁场以及温度下的行为 。 理论拟合显示磁通涡旋中的马约拉纳束缚态来源于拓扑表面态超导的准粒子激发 。 与此同时 , 体态磁通涡旋线中的准粒子热激发会抑制表面的马约拉纳束缚态 。 结果表明 , 实验所观测到的马约拉纳束缚态不与平庸的低能激发态混合 。 这是首次清晰地观测到了纯净的马约拉纳束缚态 。 相关结果发表在Science杂志上 (D. Wang et al., Science 362, 333 (2018)) 。
 
2019年 , 高鸿钧、丁洪等联合研究团队利用上述的极低温强磁场STM/S , 更加系统深入地研究了马约拉纳零能模的本质特征(电子空穴等价性) 。 通过连续可控改变针尖与FeTe0.55Se0.45单晶样品之间的距离(相应地改变隧穿耦合强度) , 观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征 。 大量的实验研究表明 , 该近量子化电导平台是受到马约拉纳本征电子/空穴对称性保护的马约拉纳零能模所特有的 , 其他非零能磁通涡旋束缚态不存在这种电导平台特征 。 通过设计对照实验 , 测量到了零磁场超导谱随隧穿耦合强度的变化 , 超导能隙内外的隧穿电导呈现平庸的单调增长 , 这排除了量子化弹道输运产生电导平台的可能性 。 通过对磁通涡旋统计分析 , 他们发现了近量子化平台电导值的分布规律 。 进一步分析表明 , 系统能量展宽和准粒子中毒效应可能是导致平台电导值小于量子化电导2e2/h的影响因素 。 整个测量过程保证了样品与针尖状态不会发生改变 , 测量过程可重复 。 该研究结果证明了近量子化电导平台特征在马约拉纳零能模中普遍存在(图3) 。 相关结果发表在Science杂志上 (S. Zhu et al., Science 367, 189 (2020)) 。
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图3. 在FeTe0.55Se0.45样品表面磁通涡旋中发现马约拉纳零能束缚态的近量子化电导平台(STS谱图与STM针尖逼近表面示意图)
这些研究结果表明在单一块体超导材料中发现了高纯度的马约拉纳任意子 , 预示着在其它多带高温超导体中可能实现马约拉纳任意子 , 为相关研究开辟了新的方向 。 该马约拉纳零能束缚态能在相对高的温度下实现 , 且具有纯度高和材料结构简单等特点 , 不容易受到其它准粒子的干扰 , 对进一步实现马约拉纳任意子的操纵、编织 , 并应用于构建稳定的、高容错、可拓展的量子计算机等具有重要意义 。 相关成果入选2018年度“中国十大科技进展新闻” 。
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