Under de senaste åren har Utvecklingen av kvantdatorer bortom kapaciteten hos klassiska datorer har blivit en ny gräns inom vetenskap och teknik och en nyckelriktning för att förverkliga kvantöverhöghet. Dock, Konventionell kvantberäkning har en allvarlig utmaning på grund av kvantdekoherenseffekt och kräver en betydande mängd felkorrigering vid skalning av kvantkvantbitar. Därför, Utforskningen av feltoleranta kvantberäkningar med användning av kvanttillstånd topologiskt skyddade mot lokala miljöstörningar är en viktig strävan av både grundläggande värde och teknisk betydelse för att realisera storskalig kvantberäkning.

Majorana zero-energy bound states (ZEBS) i system med kondenserad materia som supraledare är sådana sällsynta kvanttillstånd med topologiskt skydd mot lokala störningar. Dessa så kallade Majorana nolllägen (MZM) är laddningsneutrala och lyder icke-abelsk utbytesstatistik och fungerar som byggstenen för topologiska qubits. MZM förutsägs teoretiskt existera i virvelkärnan hos p-vågs topologiska supraledare eller i ändarna av endimensionella (1-D) topologiska supraledare. Att vara en ZEBS, en av de viktigaste egenskaperna hos MZM är de differentiella konduktanstopparna för tunnling vid noll förspänning. Experimentellt, de nuvarande Majorana-plattformarna inkluderar följande. En är att använda en tredimensionell (3-D) topologisk isolatornärhetskoppling till en s-vågssupraledare för att realisera de supraledande topologiska yttillstånden och detektera virveltillstånden genom att applicera ett magnetfält. Den andra använder en 1-D spin-omloppskopplingsnanotrådsnärhetskoppling till en s-vågssupraledare för att detektera nollförspänningskonduktanstoppar i ändarna under ett externt magnetfält. Dock, den komplicerade tillverkningen av hybridstrukturerna, den extremt låga temperaturen och det applicerade magnetfältet som krävs för observation utgör stora utmaningar för den möjliga tillämpningen av MZM.

Nyligen, Professor Wang Jians grupp vid Peking University, i samarbete med professor Wang Ziqiangs grupp vid Boston College, upptäckte MZM i båda ändarna av 1-D atomlinjedefekter i tvådimensionella (2-D) järnbaserade högtemperatursupraledare och gav en lovande plattform för att detektera topologiska nollenergiexcitationer vid en högre driftstemperatur och under noll extern magnetisk fält. Wang Jians grupp odlade framgångsrikt FeTe med stor yta och högkvalitativ en-enhetscelltjocklek _0,5 Se _0,5 filmer på SrTiO ₃ (001) substrat med molekylär strålepitaxi (MBE) teknik, som visar Tc (~62 K) mycket högre än det (~14,5 K) i bulk Fe(Te, Se). Genom in situ lågtemperatur (4,2 K) skanningstunnelmikroskopi/spektroskopi (STM/STS), de 1-D atomlinjedefekter som bildas av de saknade översta Te/Se-atomerna kan tydligt identifieras på monoskiktet FeTe _0,5 Se _0,5 filmer. ZEBS detekteras i båda ändarna av 1-D atomlinjedefekten (Figur 1), medan tunnelspektra i mitten av linjedefekten återhämtar sig till de supraledande tillstånden med fullständigt gap. När temperaturen ökar, ZEBS minskar i intensitet, och försvinner slutligen vid en temperatur (omkring 20 K) långt under Tc. ZEBS delar sig inte med ökande tunnelbarriärkonduktans och blir skarpare och högre när spetsen närmar sig filmen, visar den robusta egenskapen. Dessutom, på den kortare defekta kedjan, kopplingen mellan ZEBS i båda ändar leder till reducerade noll-bias konduktanstoppar även i mittsektionen av atomlinjedefektkedjan (Figur 2). Den positiva korrelationen mellan nollförspänningskonduktansen och linjedefektlängder kan härledas från statistiken. De spektroskopiska egenskaperna hos ZEBS, inklusive utvecklingen av topphöjden och -bredden med temperaturen, den försvinnande temperaturen hos ZEBS, tunnelspektra i spets-närmande-provprocess, såväl som odelad egendom har visat sig överensstämma med MZMs tolkning. Andra möjligheter som Kondo-effekt, konventionella föroreningstillstånd eller Andreevs nollenergibundna tillstånd i nodala högtemperatursupraledare kan uteslutas i allmänhet.

Professor Wang Ziqiangs grupp vid Boston College föreslog en möjlig teoretisk förklaring genom att utvidga bandteorin för Shockleys yttillstånd till fallet med supraledare. På grund av den stora spin-omloppskopplingen, 1-D atomlinjedefekten i monolager FeTe _0,5 Se _0,5 film kan bli en emergent 1-D topologisk supraledare och ett Kramers-par av MZMs som uppträder i ändarna av linjedefekten skyddade av tidsomkastande symmetri. Även utan tidsomkastande symmetri längs linjedefekten, den 1-D topologiska supraledaren kan också realiseras med en enda MZM placerad i varje ände av kedjan. Detta jobb, för första gången, avslöjar en klass av topologiska nollenergiexcitationer i båda ändarna av 1-D atomlinjedefekter i 2-D högtemperatur supraledande monolager FeTe _0,5 Se _0,5 filmer, som visar fördelarna med att vara ett enda material, högre driftstemperatur och noll externt magnetfält, och kan erbjuda en ny plattform för framtida realiseringar av tillämpliga topologiska qubits.

Tidningen publicerades online av Naturfysik