ARPES och STM experimentella resultat för monolager FeSe/STO. (A) Experimentell STM-topografi av FM-kanten och AFM-kanten av FeSe/STO. Insättningen visar en STM-topografibild med atomupplösning vid bulkpositionen för FM-kanten och AFM-kanten, som visar det översta Se-atomarrangemanget (kristallorienteringarna är märkta). (B) Teoretisk (svarta linjer) och ARPES-bandstruktur runt M-punkten. (C) Teoretisk 1D-bandstruktur av ett FeSe/STO-band med FM (vänster) och AFM (höger) kanter. (D) Teoretisk LDOS för kant- och bulktillstånd. (E) Experimentella STS-spektra av kant- och bulktillstånd för FM (vänster) och AFM (höger) kanter. Det ljusblå bandet i (A)–(D) indikerar SOC-gapet. (A)–(E) anpassad med tillstånd från Springer Nature. Kredit:Matter (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.04.021
En ny FLEET-recension med flera noder, publicerad i Matter , undersöker sökandet efter Majorana-fermioner i järnbaserade supraledare.
Den svårfångade Majorana-fermion, eller "änglpartikel" som Ettore Majorana föreslog 1937, beter sig samtidigt som en partikel och en antipartikel – och förblir överraskande nog stabil snarare än att vara självdestruktiv.
Majorana-fermioner lovar informations- och kommunikationsteknik med noll motstånd, åtgärdar den ökande energiförbrukningen hos modern elektronik (redan 8 % av den globala elförbrukningen) och lovar en hållbar framtid för datoranvändning.
Dessutom är det närvaron av Majorana nollenergilägen i topologiska supraledare som har gjort dessa exotiska kvantmaterial till de viktigaste kandidatmaterialen för att realisera topologisk kvantberäkning.
Förekomsten av Majorana-fermioner i system med kondenserad materia kommer att hjälpa FLEET:s sökande efter framtida elektroniska lågenergiteknologier.
Ängelpartikeln:både materia och antimateria
Grundläggande partiklar som elektroner, protoner, neutroner, kvarkar och neutrinos (kallade fermioner) har var och en sina distinkta antipartiklar. En antipartikel har samma massa som sin vanliga partner, men motsatt elektrisk laddning och magnetiskt moment.
Konventionell fermion och anti-fermioner utgör materia och antimateria och förintar varandra när de kombineras.
"Majorana fermion är det enda undantaget från denna regel, en kompositpartikel som är sin egen antipartikel", säger motsvarande författare professor Xiaolin Wang (UOW).
Men trots det intensiva sökandet efter Majorana-partiklar har ledtråden om dess existens varit svårfångad i många decennier, eftersom de två motstridiga egenskaperna (dvs dess positiva och negativa laddning) gör den neutral och dess interaktion med miljön är mycket svag.
Topologiska supraledare:bördig jord för ängelpartikeln
Även om förekomsten av Majorana-partikeln ännu inte har upptäckts, trots omfattande sökningar i högenergifysikanläggningar som CERN, kan den existera som en enpartikelexcitation i system med kondenserad materia där bandtopologi och supraledning samexisterar.
"Under de senaste två decennierna har Majorana-partiklar rapporterats i många supraledarheterostrukturer och har visats med stor potential i kvantberäkningstillämpningar", enligt Dr. Muhammad Nadeem, en FLEET-postdoc vid UOW.
För några år sedan rapporterades en ny typ av material som kallas järnbaserade topologiska supraledare som är värd för Majorana-partiklar utan tillverkning av heterostrukturer, vilket är viktigt för användning i verkliga enheter.
"Vår artikel granskar de senaste experimentella prestationerna i dessa material:hur man får topologiska supraledarematerial, experimentell observation av det topologiska tillståndet och detektering av Majorana nolllägen", säger första författaren UOW Ph.D. kandidat Lina Sang.
I dessa system kan kvasipartiklar efterlikna en viss typ av Majorana-fermion, såsom "kiral" Majorana-fermion, en som rör sig längs en endimensionell bana och Majorana "nollläge", en som förblir begränsad i ett nolldimensionellt utrymme.
Applikationer av Majorana nollläge
Om sådana system för kondenserad materia, som är värd för Majorana-fermioner, är experimentellt tillgängliga och kan karakteriseras av en enkel teknik, skulle det hjälpa forskare att styra konstruktionen av lågenergiteknologier vars funktionaliteter möjliggörs genom att utnyttja unika fysiska egenskaper hos Majorana-fermioner, t.ex. som feltolerant topologisk kvantberäkning och ultralågenergielektronik.
Värdskapet för Majorana-fermioner i materiens topologiska tillstånd, topologiska isolatorer och Weyl-halvmetaller kommer att behandlas i denna månads stora internationella konferens om halvledarnas fysik (ICPS), som hålls i Sydney, Australien.
IOP 2021 Quantum materials roadmap undersöker rollen av intrinsic spin-orbit coupling (SOC)-baserade kvantmaterial för topologiska enheter baserade på Majorana-lägen, och lägger ut bevis vid gränsen mellan starka SOC-material och supraledare, såväl som i en järnbaserad supraledare. + Utforska vidare
