När en halvledande nanotråd kopplas till en supraledare, den kan ställas in på topologiska kvanttillstånd som tros vara värd för lokaliserade kvasipartiklar kända som Majorana Zero Modes (MZM). MZM är deras egna antipartiklar, med lovande tillämpningar inom topologisk kvantberäkning. På grund av partikel-antipartikel-ekvivalens, MZM uppvisar kvantiserad konduktans vid låga temperaturer. Medan det finns många teoretiska förslag för att realisera MZM i solid state-system, deras experimentella förverkligande konfronteras med icke-idealiteter.

I en ny rapport i Vetenskap , Shiyu Zhu och ett team av tvärvetenskapliga forskare i Kina och USA använde variabel-tunnel-kopplad scanning tunneling spektroskopi för att studera tunnling konduktans av vortex bundna tillstånd av supraledare. Till exempel, supraledare har ett "gap" i energi i frånvaro av elektrontillstånd - så elektroner kan inte tunnla in, medan magnetfältet vid en virvellinje kommer att stänga gapet för att bilda elektrontillstånd. Forskarna rapporterade observationer med FeTe _0,55 Se _0,45 supraledare, där de registrerade konduktansplatåer som en funktion av tunnelkoppling för nollenergivirvelbundna tillstånd, med värden nära, och till och med nå, det universella kvantkonduktansvärdet 2e ² /h; där e, är elektronladdningen och h är Plancks konstant. I kontrast, de observerade inte platåer vare sig på ändliga energivirvelbundna tillstånd eller inom kontinuumet av elektroniska tillstånd utanför det supraledande gapet. Detta beteende av nolllägeskonduktans stödde förekomsten av MZM i FeTe _0,55 Se _0,45 kristaller _.

Majorana Zero Modes (MZMs) följer icke-Abelisk statistik, dvs excitationer utöver de vanliga fermioniska eller bosoniska excitationssätten, att spela en extremt viktig roll i kvantberäkningar. Under de senaste två decennierna, fysiker förutspådde MZM inom p-vågssupraledare och spinn-omloppskopplade material proximiterade (för att realisera egenskaper hos ett material frånvarande från någon beståndsdel av heterostrukturen), av s-vågssupraledare. Forskare hade observerat experimentella bevis för MZM i olika system inklusive halvledar-supraledare nanotrådar, topologiska isolator-supraledare heterostrukturer och atomkedjor på supraledande substrat. Fysiker och materialforskare har också nyligen utvecklat helt gapade bulkbaserade supraledare som en enda materialplattform för att realisera MZM. Senare, de hittade bevis för MZM i topologiska virvlar på ytan av FeTe _0,55 Se _0,45 kristaller med scanning tunneling mikroskopi/spektroskopi (STM/S).

Konduktansen hos en MZM kan uppvisa en kvantiserad platå vid tillräckligt låga temperaturer vid värdet 2e ² /h; där e är elektronladdningen och h Plancks konstant. Denna kvantiserade Majorana-konduktans är resultatet av perfekt resonant Andreev-reflektion - en typ av partikelspridning som sker vid gränssnitten mellan en supraledare och material i normaltillstånd, garanteras av MZMs inneboende partikelhålsymmetri. Forskare hade observerat en kvantiserad konduktansplatå i ett InSb-Al nanotrådsystem, överensstämmer med förekomsten av MZM. Liknande, järnbaserade supraledare med noll-bias konduktanstoppar (ZBCP) erhållna med STM/S-experiment har stora topologiska luckor och erbjuder möjligheten att observera Majorana kvantiserad konduktans, utan kontaminering från lågt liggande Caroli-de Gennes-Matricon bundna tillstånd (CBS). Som ett resultat av tidigare experimentella utsikter, Zhu et al. använder för närvarande en variabel tunnelkoppling STM/S-metod för att studera Majorana-konduktans över ett stort område av spets-provavstånd i virvelkärnor av FeTe _0,55 Se _0,45 kristallprover.

Den effektiva elektrontemperaturen för scanning tunneling microscope (STM) var 377 mK och forskarna justerade kontinuerligt tunnelkopplingen genom att ändra spets-provavståndet, som korrelerade med tunnelbarriärens konduktans. Genom att applicera ett magnetfält på 2 T (Tesla) vinkelrätt mot provytan, Zhu et al. observerade en skarp ZBCP (zero-bias conductance peak) vid en virvelkärna. Som förväntat för en isolerad MZM i en kvantbegränsad virvel, ZBCP spreds inte eller splittrades över virvelkärnan. De utförde tunnelkopplingsberoende mätningar på den observerade ZBCP, genom att lägga till STM-spetsen i mitten av en topologisk virvel, att spela in en uppsättning av dI/dV spektra som motsvarar elektrontätheten för tillstånd vid spetsens position, för olika spetsprovsavstånd. De observerade att ZBCP kvarstod som en väldefinierad topp belägen vid noll energi.

För att undersöka partikelhålssymmetrin hos MZM, de jämförde och kontrasterade konduktansbeteendet hos nollenergi MZM och finita energi CBS (Caroli-de Gennes-Matricon bundna tillstånd). Zhu et al. observerade två distinkta typer av topologiska och vanliga virvlar med, eller utan MZM, som skilde sig genom en halvheltalsnivåförskjutning av vortexbundna tillstånd. De utförde tunnelkopplingsberoende mätningar på en topologisk virvel för att visa en MZM och första CBS-nivå, vid 0 meV och ±0,3 meV, de gjorde även mätningar på en vanlig virvel.

När forskargruppen upprepade experimenten i noll magnetfält på samma plats, de observerade en hård, supraledande gap. Forskarna observerade bara konduktansplatåfunktionen i ZBCP, vilket indikerade beteende unikt för Majorana-lägen. Platåbeteendet som observerades i arbetet gav också bevis för den Majorana-inducerade resonanta Andreev-reflektionen. Därefter, under elektrontunnling från en normal elektrod genom en barriär in i en supraledare, teamet observerade Andreevs reflektionsprocessen omvandla den infallande elektronen till ett utgående hål inom samma elektrod. Detta resulterade i ett dubbelbarriärsystem i partikelhålet Hilbert-rymden (ett abstrakt vektorrum inom kvantmekaniken).

När det gäller Andreevs reflektion genom en enda MZM, lika amplituder av partikel-/hålkomponenter på grund av partikel-antipartikel-ekvivalens av MZM säkerställde identisk tunnelkoppling, med elektronen och hålet i samma elektrod (Γ _e =Γ _h ). Som ett resultat, den resonerande Andreev-reflektionen förmedlad genom en enda MZM ledde till en 2e ² /h-kvantiserad noll-bias konduktansplatå. I kontrast, lågenergi-CBS och andra triviala sub-gap-tillstånd innehåller inte Majorana-symmetri och förhållandet mellan elektronen och hålet bryts i en CBS-medierad Andreev-reflektion, orsakar frånvaro av en konduktansplatå. Vidare, när Zhu et al. tog bort magnetfältet i experimentsystemet, den observerade noll-bias konduktansplatån i virvelkärnan försvann, observationerna kunde därför inte tillskrivas kvantballistisk transport.

Forskarna observerade platåbeteendet hos ZBCP upprepade gånger i många topologiska virvlar över 60 mätningar. För att förstå effekterna av instrumentell breddning på Majorana konduktansplatåer, forskarna varierade moduleringsspänningen (V _mod ). Detta tillät dem att studera V _mod -utveckling av Majorana konduktansplatåer på en given topologisk virvel. Zhu et al. testade sedan processens reversibilitet genom att variera tunnelkopplingen i STM. De fann att både topografi och konduktansplatån kunde reproduceras efter två upprepade sekvenser för att indikera frånvaron av irreversibel skada på spetsen och provet under mätningar. Forskargruppen kräver ytterligare teoretiska ansträngningar för att få fullständig förståelse för experimenten, eftersom de inte uteslöt andra mekanismer relaterade till noll-bias konduktansplatåer.

På det här sättet, observationen av en noll-bias konduktansplatå i en experimentell tvådimensionell virvel närmade sig det kvantiserade konduktansvärdet på 2e ² /h. I det här arbetet, Shiyu Zhu och kollegor gav rumsligt upplösta spektroskopiska bevis för Majorana-inducerad resonanselektronöverföring till en bulksupraledare. Resultaten går ett steg längre mot tillämpningar av flätoperatorer för att beskriva topologiska förvecklingar eller universella kvantportar för topologisk kvantberäkning.

© 2019 Science X Network