背景介紹
近年來，研製超越經典電腦運算能力的量子電腦，已成為國際科技領域的前沿焦點和各國實現量子超越的覈心方向。然而量子計算面臨的最大問題是因退相干效應的存在，量子比特的運算需要更多比特數來糾錯。囙此，探索可容錯的量子計算，也即對環境細節不敏感的拓撲量子計算，就成為最終實現規模化量子計算的重要途徑。凝態物質中的馬約拉納准粒子，其零能束縛態特徵之一為在零偏壓下出現微分電導峰，被稱為馬約拉納零能模。因其受拓撲簡並保護，滿足非阿貝爾統計，具備抗局域干擾和高容錯的特性，被認為是實現拓撲量子比特的基礎。馬約拉納零能模被理論預言存在於p波拓撲超導體的磁通渦旋中心或一維拓撲超導的端點處。探測作為量子態非貝爾激發的馬約拉納零能模是具有基礎意義的重要挑戰。實驗上，當前主流的方法是通過s波超導體和三維拓撲絕緣體之間的近鄰效應實現超導拓撲表面態，再對其中的磁通渦旋態進行觀測；或是通過一維强自旋軌道耦合的電晶體納米線與s波超導體接觸，外加磁場下，線上端觀測零壓電導峰。然而，構造這類異質結構需要複雜的制造技術，進行觀測需要極低溫和外加磁場，這些條件都給馬約拉納零能模可能的應用帶來了極大的困難和挑戰。
實驗重大突破
近日，北京大學物理學院量子材料科學中心王健教授研究組與波士頓學院汪自强教授等合作在二維鐵基高溫超導體中的一維原子缺陷鏈兩端發現馬約拉納零能模，為實現較高溫度下、無外加磁場的拓撲零能激發態提供了一種可行性平臺。王健研究組通過分子束外延（MBE）科技在鈦酸鍶襯底上成功製備出大尺度、高品質的單層FeTe0.5Se0.5高溫超導薄膜，其超導轉變溫度，遠高於塊材Fe（Te，Se）（Tc≈14.5K）。利用原位低溫（4.2K）掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）科技，研究組在薄膜表面發現了一種由最上層Te/Se原子缺失形成的一維原子鏈缺陷。在這種一維原子鏈缺陷兩端，同時觀測到了零能束縛態（圖1），而在一維原子鏈缺陷的非端點處，依然是超導帶隙的譜形。隨著溫度升高，零能束縛態的峰高逐漸降低，最終在遠低於時消失（約20K）。
圖1一維長原子缺陷鏈兩端的零能束縛態（約15個Te/Se原子長度）。a，一維長原子鏈缺陷的STM形貌圖。b，零偏壓電導成像圖。c，一維原子鏈缺陷下端點和中間位置的掃描隧穿譜。d，沿一維原子鏈缺陷的掃描隧穿線譜（沿a中的紅色箭頭）。e，一維原子鏈缺陷下端的零能束縛態隨溫度的依賴關係。彩色曲線是實驗得到的歸一化隧穿譜。灰色曲線是由費米-狄拉克分佈方程得到的高溫卷積曲線。f，一維原子鏈缺陷下端的零能束縛態隨隧穿勢壘的依賴關係。
隨著針尖逐漸逼近薄膜表面，即隧穿勢壘電導變大，零能束縛態峰迅速升高且沒有發生劈裂，展現出良好的抗干擾性。此外，研究組發現在較短的一維原子鏈缺陷兩端的零能束縛態發生了一定程度的耦合（圖2），其峰高隨缺陷長度的依賴關係在統計中展現出正相關關係。
圖2一維短原子缺陷鏈兩端的零能束縛態（約8個Te/Se原子長度）。a，一維短原子鏈缺陷的STM形貌圖。b，零偏壓電導成像圖。c，一維原子鏈缺陷上端點和中間位置的掃描隧穿譜。d，沿一維原子鏈缺陷的掃描隧穿線譜（沿a中的紅色箭頭）。e，一維原子鏈缺陷上端的零能束縛態隨溫度的依賴關係。彩色曲線是實驗得到的歸一化隧穿譜。灰色曲線是由費米-狄拉克分佈方程得到的高溫卷積曲線。f，一維原子鏈缺陷上端的零能束縛態隨隧穿勢壘的依賴關係。
這些零能束縛態的譜學特性，如峰值高度與半高寬隨溫度的演化，消失的溫度，針尖逼近隧穿譜與難劈裂的特性等，都與馬約拉納零能模的解釋相符合，可以基本上排除Kondo效應、雜質缺陷束縛態或有節點的高溫超導體中Andreev零能束縛態等其它可能性。波士頓學院的汪自强教授團隊基於肖克利缺陷態的能帶理論在超導體中的表現提出了可能的理論解釋。在强自旋軌道耦合作用下，單層FeTe0.5Se0.5薄膜表面的一維原子鏈缺陷可以是衍生一維拓撲超導體，其端點處會產生受時間反演對稱性保護的一對馬約拉納零能模。時間反演對稱性破缺下也可產生一維原子鏈缺陷拓撲超導體，其兩個端點各產生一個馬約拉納零能模。這一工作首次揭示了二維高溫超導體FeTe0.5Se0.5單層薄膜中的一類拓撲線缺陷端點處的零能激發，具備單一資料、較高工作溫度和零外加磁場等優勢，為進一步實現可應用的拓撲量子比特提供了一種可能的方案。該工作於2020年3月9日線上發表於學術期刊《自然•物理》上。
北京大學王健教授是文章的通訊作者，北京大學博士生陳澄為文章第一作者。這一工作的理論合作者為波士頓學院汪自强教授團隊。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計畫、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心、北京市自然科學基金和美國能源部基礎能源科學基金的支持。
個人簡介
圖|王健
Jian Wang，Changjiang Distinguished Professor of China's Ministry of Education，received hisbachelor's degree in Physics from Shandong University in 2001，andPhD degreein condensed matter physics fromInstitute of Physics，Chinese Academy of Sciences in 2007.From 2006 to 2011，he worked as aPostdocand Research Associate at Penn State University，USA. He became a tenure-track Associate Professor and established a research group at Peking University in 2010.In 2017，Jian Wang was promoted to Professor.He was selected to Changjiang Distinguished Professor of China's Ministry of Education in 2016 and Chief Scientist for National Key R&D Program of China in 2018.He won Sir Martin Wood China Prize in 2015.His current research interests are quantum transport properties of low dimensional superconductors and topological materials.Jian Wang with collaborators discovered log-periodic quantum oscillations in a solid state system，quantum Griffiths singularity in 2D superconductors，and tip-induced unconventional superconductivity in topological materials.Furthermore，as the leader Jian Wang also for the first time revealed interface-modulated Ising superconductivity，demonstrated high Tc in one unit cell thick FeSe films by direct transport and Meissner evidences，and detected eletron-electron interaction in topological materials.In recent years，he has authored more than 80 SCI papers including more than 60 corresponding author publications in Science，Science Advances，Nature Materials，Nature Physics，Nature Communications，PNAS，Physical Review X，Physical Review Letters，Nano Letters，Advanced Materials，and ACS nano etc. Jian Wang's lab at Peking University possesses ultralow temperature-high magnetic field measurement systems and low temperature scanning tunneling microcopy/ spectroscopy-molecular beam epitaxy combined ultrahigh vacuum system etc.