Wanneer een halfgeleidende nanodraad wordt gekoppeld aan een supergeleider, het kan worden afgestemd op topologische kwantumtoestanden waarvan wordt gedacht dat ze gelokaliseerde quasideeltjes bevatten die bekend staan ​​​​als Majorana Zero Modes (MZM). MZM's zijn hun eigen antideeltjes, met veelbelovende toepassingen in topologische quantum computing. Vanwege de deeltjes-antideeltje-equivalentie, MZM's vertonen gekwantiseerde geleiding bij lage temperaturen. Hoewel er veel theoretische voorstellen bestaan ​​om MZM's in solid-state systemen te realiseren, hun experimentele realisatie wordt geconfronteerd met non-idealiteiten.

In een nieuw rapport in Wetenschap , Shiyu Zhu en een team van interdisciplinaire onderzoekers in China en de VS gebruikten variabele tunnelgekoppelde scanning tunneling spectroscopie om tunnelgeleiding van vortexgebonden toestanden van supergeleiders te bestuderen. Bijvoorbeeld, supergeleiders hebben een "gat" in energie in de afwezigheid van elektronentoestanden - dus elektronen kunnen niet naar binnen tunnelen, terwijl bij een vortexlijn het magnetische veld de opening zal sluiten om elektronentoestanden te vormen. De onderzoekers rapporteerden waarnemingen met FeTe _0,55 Se _0.45 supergeleiders, waar ze geleidingsplateaus registreerden als een functie van tunnelkoppeling voor nul-energie vortexgebonden toestanden, met waarden dichtbij, en zelfs bereiken, de universele kwantumgeleidingswaarde 2e ² /H; waar e, is de elektronenlading en h is de constante van Planck. In tegenstelling tot, ze observeerden geen plateaus op eindige energievortex-gebonden toestanden of binnen het continuüm van elektronische toestanden buiten de supergeleidende kloof. Dit gedrag van nulmodusgeleiding ondersteunde het bestaan ​​​​van MZM's in FeTe _0,55 Se _0.45 Kristallen _.

Majorana Zero Modes (MZM's) gehoorzamen aan niet-Abelse statistieken, d.w.z. excitaties die verder gaan dan de gebruikelijke fermionische of bosonische modi van excitatie, een uiterst belangrijke rol spelen in kwantumberekeningen. In de afgelopen twee decennia is natuurkundigen voorspelden MZM's in p-golf supergeleiders en spin-baan-gekoppelde materialen in de buurt (om eigenschappen te realiseren van een materiaal dat afwezig is in enig samenstellend gebied van de heterostructuur), door s-golf supergeleiders. Onderzoekers hadden experimenteel bewijs voor MZM's waargenomen in verschillende systemen, waaronder halfgeleider-supergeleider nanodraden, topologische isolator-supergeleider heterostructuren en atoomketens op supergeleidende substraten. Natuurkundigen en materiaalwetenschappers hebben onlangs ook volledig gapped bulk-supergeleiders op basis van ijzer ontwikkeld als een enkelvoudig materiaalplatform om MZM's te realiseren. Vervolgens, ze vonden bewijs voor MZM's in topologische wervels op het oppervlak van FeTe _0,55 Se _0.45 kristallen met behulp van scanning tunneling microscopie/spectroscopie (STM/S).

De conductantie van een MZM kan een gekwantiseerd plateau vertonen bij voldoende lage temperaturen bij de waarde van 2e ² /H; waarbij e de elektronlading is en h de constante van Planck. Deze gekwantiseerde Majorana-geleiding is het resultaat van perfect resonante Andreev-reflectie - een soort deeltjesverstrooiing die optreedt op grensvlakken tussen een supergeleider en materiaal in normale toestand, gegarandeerd door de inherente deeltjes-gatsymmetrie van MZM. Wetenschappers hadden een gekwantiseerd geleidingsplateau waargenomen in een InSb-Al nanodraadsysteem, consistent met het bestaan ​​van MZM's. evenzo, op ijzer gebaseerde supergeleiders met nul-bias conductantiepieken (ZBCP's) verkregen met STM/S-experimenten hebben grote topologische hiaten en bieden de mogelijkheid om Majorana gekwantiseerde conductantie waar te nemen, zonder besmetting van laaggelegen Caroli-de Gennes-Matricon gebonden staten (CBS's). Als resultaat van eerdere experimentele vooruitzichten, Zhu et al. momenteel een variabele tunnelkoppeling STM / S-methode gebruikt om Majorana-geleiding over een groot bereik van tip-monsterafstand in vortexkernen van FeTe te bestuderen _0,55 Se _0.45 kristal monsters.

De effectieve elektronentemperatuur van de scanning tunneling microscoop (STM) was 377 mK en de onderzoekers stemden de tunnelkoppeling continu af door de tip-sample afstand te veranderen, die correleerde met de geleiding van de tunnelbarrière. Door een magnetisch veld van 2 T (Tesla) loodrecht op het monsteroppervlak aan te leggen, Zhu et al. waargenomen een scherpe ZBCP (zero-bias conductance peak) bij een vortexkern. Zoals verwacht voor een geïsoleerde MZM in een kwantumbeperkte vortex, de ZBCP verspreidde of splitste zich niet over de vortexkern. Ze voerden tunnelkoppelingsafhankelijke metingen uit op de waargenomen ZBCP, door de STM-tip toe te voegen aan het midden van een topologische vortex, een set opnemen van dI/dV spectra die overeenkomen met de elektronendichtheid van toestanden op de positie van de punt, voor verschillende tip-sample afstanden. Ze observeerden dat de ZBCP een goed gedefinieerde piek bleef die zich op nul energie bevond.

Om de deeltjes-gatsymmetrie van de MZM's te onderzoeken, ze vergeleken en contrasteerden het geleidingsgedrag van nul-energie MZM's en eindige-energie CBS's (Caroli-de Gennes-Matricon gebonden toestanden). Zhu et al. waargenomen twee verschillende soorten topologische en gewone wervels met, of zonder MZM, die verschilde door een half geheel getal niveauverschuiving van vortex gebonden toestanden. Ze voerden tunnelkoppelingsafhankelijke metingen uit op een topologische vortex om een ​​MZM- en eerste CBS-niveau aan te tonen, bij 0 meV en ±0,3 meV, ze voerden ook metingen uit op een gewone vortex.

Toen het onderzoeksteam de experimenten herhaalde in een magnetisch veld nul op dezelfde locatie, ze zagen een harde, supergeleidende kloof. De wetenschappers observeerden alleen de geleidingsplateaufunctie in ZBCP, wat wijst op gedrag dat uniek is voor Majorana-modi. Het plateaugedrag dat in het werk werd waargenomen, leverde ook bewijs voor de door Majorana geïnduceerde resonante Andreev-reflectie. Daarna, tijdens elektronentunneling van een normale elektrode door een barrière naar een supergeleider, het team observeerde dat het Andreev-reflectieproces het invallende elektron omzet in een uitgaand gat in dezelfde elektrode. Dit resulteerde in een systeem met dubbele barrière in de deeltje-gat Hilbertruimte (een abstracte vectorruimte in de kwantummechanica).

In het geval van Andreev-reflectie door een enkele MZM, gelijke amplitudes van deeltjes/gatcomponenten als gevolg van deeltjes-antideeltje-equivalentie van MZM's zorgden voor identieke tunnelkoppeling, met het elektron en het gat in dezelfde elektrode (Γ _e = _H ). Als resultaat, de resonerende Andreev-reflectie gemedieerd door een enkele MZM leidde tot een 2e ² /h-gekwantiseerd nul-bias geleidingsplateau. In tegenstelling tot, lage-energie CBS en andere triviale sub-gap-toestanden bevatten geen Majorana-symmetrie en de relatie tussen het elektron en het gat is verbroken in een door CBS gemedieerde Andreev-reflectie, waardoor een geleidingsplateau ontbreekt. Verder, wanneer Zhu et al. verwijderde het magnetische veld in het experimentele systeem, het waargenomen nul-bias geleidingsplateau in de vortexkern verdween, daarom konden de waarnemingen niet worden toegeschreven aan kwantumballistisch transport.

De wetenschappers observeerden het plateaugedrag van ZBCP's herhaaldelijk in veel topologische wervelingen gedurende 60 metingen. Om de effecten van instrumentverbreding op Majorana-geleidingsplateaus te begrijpen, de wetenschappers varieerden de modulatiespanning (V _mod ). Hierdoor konden ze de V . bestuderen _mod -evolutie van Majorana-geleidingsplateaus op een gegeven topologische vortex. Zhu et al. testte vervolgens de omkeerbaarheid van het proces door de tunnelkoppeling in STM te variëren. Ze ontdekten dat zowel de topografie als het geleidingsplateau konden worden gereproduceerd na twee herhaalde sequenties om de afwezigheid van onomkeerbare schade aan de tip en het monster tijdens metingen aan te geven. Het onderzoeksteam heeft verdere theoretische inspanningen nodig om volledig inzicht te krijgen in de experimenten, omdat ze andere mechanismen met betrekking tot nul-bias geleidingsplateaus niet uitsloten.

Op deze manier, de waarneming van een nul-bias geleidingsplateau in een experimentele tweedimensionale vortex benaderde de gekwantiseerde geleidingswaarde van 2e ² /H. In dit werk, Shiyu Zhu en collega's leverden ruimtelijk opgelost spectroscopisch bewijs voor Majorana-geïnduceerde resonante elektronentransmissie naar een bulksupergeleider. De resultaten gaan een stap verder in de richting van toepassingen van vlechtoperatoren om topologische verstrengelingen of universele kwantumpoorten voor topologische kwantumberekening te beschrijven.

© 2019 Wetenschap X Netwerk