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科學家發現馬約拉納零能模中近量子化的電導平臺

2019-12-13 前沿科學與教育局 物理研究所 中國科學院大學
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  馬約拉納費米子是由物理學家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)預言的一種基本粒子,其具有電中性且反粒子是自身。在凝聚態物理的材料體系中,被拓撲缺陷上束縛的馬約拉納準粒子,其產生湮滅算符滿足自共軛關系,通常呈現出零能電導信號,被稱為馬約拉納零能模。理論證明,馬約拉納零能模滿足非阿貝爾任意子統計規律,是實現容錯拓撲量子計算的主要路徑之一。

  過去的幾年里,中國科學院物理研究所/中國科學院大學高鴻鈞團隊與丁洪團隊合作,利用其自主設計組裝的國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜(STM/S)聯合系統精確測量了FeTe0.55Se0.45單晶樣品的超導渦旋,得到了鐵基超導中的馬約拉納零能模的實驗證據 (D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。隨后,他們針對馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問題,對鐵基超導中的馬約拉納零能模進一步研究,發現FeTe0.55Se0.45單晶樣品表面同時存在兩種不同類型的磁通渦旋,根據馬約拉納零能模的存在與否,磁通渦旋束縛態的量子化能級序列存在半整數位的偏移。他們給出了FeTe0.55Se0.45樣品表面馬約拉納零能模存在的微觀物理機制,澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質 (Nature Physics 15, 1181 (2019))

  已有的實驗提供了馬約拉納零能模存在的大量實驗證據,也解釋了馬約拉納零能模存在的微觀物理機制,但是在新奇物理現象豐富的凝聚態材料中,仍然需要更強有力的實驗證據證明零能模信號來源于馬約拉納準粒子,例如,量子化電導平臺的實驗觀測。在固體材料體系中,激發得到的馬約拉納準粒子具有本征的粒子-反粒子對稱性,其電子與空穴的組成成分相等。在超導體材料的測量中,一個入射的電子必然會帶來一個反射的空穴。超導體表面馬約拉納零能模的出現使得電子與空穴的隧穿概率相等并發生Andreev共振反射,產生獨特的量子化的電導平臺特征。該特征是馬約拉納零能模存在的關鍵性實驗證據。

  最近,高鴻鈞團隊與丁洪團隊進一步合作,利用其極低溫強磁場STM/S聯合系統開展了相關研究。他們通過連續可控改變針尖與FeTe0.55Se0.45單晶樣品之間的隧穿耦合強度,觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特征(圖1)。大量的實驗觀測表明,該電導平臺特征是受到馬約拉納本征電子/空穴對稱性保護的馬約拉納零能模所特有的,其他拓撲平庸的磁通渦旋束縛態并不存在這種電導平臺特征(圖2)。通過嚴謹的實驗測量排除了超導本身電子態的影響,也排除了測量中發生量子化彈道輸運的可能。通過對磁通渦旋統計分析,發現了平臺電導值近量子化的分布規律,并進一步分析了可能導致平臺電導值小于量子化電導2e2/h的影響因素,系統能量展寬和準粒子中毒效應(圖3)。整個測量過程保證了樣品與針尖狀態不會發生改變,測量過程可重復。這一系列實驗結果證明了平臺電導特征在馬約拉納零能模中普遍存在。

  這項研究工作利用STM/S技術,觀測到了磁通渦旋中馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特征,給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據,為研究馬約拉納零能模和推動未來拓撲量子計算起到了重要的作用。相關研究結果于1212日在《科學》(Science雜志在線發表。中科院物理所、國科大博士生朱詩雨、孔令元、曹路和博士陳輝為共同第一作者,張余洋(國科大)、丁洪、高鴻鈞為共同通訊作者。美國布魯克海文國家實驗室研究員顧根大提供了高質量的單晶樣品,麻省理工學院教授傅亮提供了理論支持。該工作得到科技部(2015CB921000, 2015CB921300, 2016YFA0202300)、國家自然科學基金委 (11234014, 61888102)和中科院(XDB28000000, XDB07000000, 112111KYSB20160061)的支持。

  文章鏈接

圖1 FeTe0.55Se0.45表面磁通渦旋中的零能電導平臺

圖2 馬約拉納零能模的Andreev共振反射

 

圖3 馬約拉納平臺電導值的變化規律

打印 責任編輯:葉瑞優

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