In recente jaren, de ontwikkeling van kwantumcomputers die de mogelijkheden van klassieke computers te boven gaan, is een nieuwe grens in wetenschap en technologie geworden en een belangrijke richting om kwantumsuprematie te realiseren. Echter, conventionele kwantumcomputing heeft een serieuze uitdaging vanwege het kwantumdecoherentie-effect en vereist een aanzienlijke hoeveelheid foutcorrectie bij het schalen van kwantumqubits. Daarom, de verkenning van fouttolerante kwantumberekening met behulp van kwantumtoestanden die topologisch beschermd zijn tegen lokale omgevingsverstoringen is een belangrijke onderneming van zowel fundamentele waarde als technologische betekenis voor het realiseren van grootschalige kwantumberekening.

Majorana-nulenergiegebonden toestanden (ZEBS's) in systemen van gecondenseerde materie zoals supergeleiders zijn zulke zeldzame kwantumtoestanden met topologische bescherming tegen lokale verstoringen. Deze zogenaamde Majorana-nulmodi (MZM's) zijn ladingsneutraal en gehoorzamen aan niet-abelse uitwisselingsstatistieken en dienen als de bouwsteen van topologische qubits. Er wordt theoretisch voorspeld dat MZM's voorkomen in de vortexkern van p-golf topologische supergeleiders of aan de uiteinden van eendimensionale (1-D) topologische supergeleiders. Een ZEBS zijn, een van de belangrijkste kenmerken van de MZM zijn de differentiële geleidingspieken voor tunneling bij nulspanning. Experimenteel, de huidige Majorana-platforms omvatten het volgende. Een daarvan is het gebruik van een driedimensionale (3D) topologische isolator-nabijheidskoppeling met een s-golf-supergeleider om de supergeleidende topologische oppervlaktetoestanden te realiseren en de vortextoestanden te detecteren door een magnetisch veld aan te leggen. De andere gebruikt een 1-D spin-orbit-koppeling nanodraad-nabijheidskoppeling met een s-golf supergeleider om nul-bias geleidingspieken aan de uiteinden onder een extern magnetisch veld te detecteren. Echter, de gecompliceerde fabricage van de hybride structuren, de extreem lage temperatuur en het aangelegde magnetische veld dat nodig is voor observatie vormen grote uitdagingen voor de mogelijke toepassing van MZM's.

Onlangs, Professor Wang Jian's groep aan de Universiteit van Peking, in samenwerking met de groep van professor Wang Ziqiang aan het Boston College, ontdekte MZM's aan beide uiteinden van 1-D-atoomlijndefecten in tweedimensionale (2-D) op ijzer gebaseerde supergeleiders op hoge temperatuur en bood een veelbelovend platform om topologische nul-energie-excitaties te detecteren bij een hogere bedrijfstemperatuur en onder nul externe magnetische veld. De groep van Wang Jian heeft met succes FeTee met een groot oppervlak en een hoge kwaliteit van één cel dik gekweekt _0,5 Se _0,5 films op SrTiO ₃ (001) substraten door middel van moleculaire bundelepitaxie (MBE) techniek, die Tc (~ 62 K) veel hoger laten zien dan die (~ 14,5 K) in bulk Fe (Te, zie). Door in situ lage temperatuur (4,2 K) scanning tunneling microscopie/spectroscopie (STM/STS), de 1-D atoomlijndefecten gevormd door de ontbrekende bovenste Te/Se-atomen kunnen duidelijk worden geïdentificeerd op de monolaag FeTe _0,5 Se _0,5 films. De ZEBS'en worden gedetecteerd aan beide uiteinden van het 1-D atoomlijndefect (Figuur 1), terwijl de tunneling-spectra in het midden van het lijndefect zich herstellen tot de volledig gespleten supergeleidende toestanden. Naarmate de temperatuur stijgt, de ZEBS vermindert in intensiteit, en verdwijnt uiteindelijk bij een temperatuur (ongeveer 20 K) ver onder Tc. De ZEBS splitst niet met toenemende tunneling barrière geleiding en wordt scherper en hoger naarmate de punt de film nadert, met de robuuste eigenschap. Bovendien, op de kortere defectketen, de koppeling tussen de ZEBS'en aan beide uiteinden leidt tot verminderde nul-bias geleidingspieken, zelfs in het middelste gedeelte van de atoomlijndefectketen (Figuur 2). De positieve correlatie tussen de nul-bias conductantie en lijndefectlengtes kan worden afgeleid uit de statistieken. De spectroscopische eigenschappen van de ZEBSs, inclusief de evolutie van de piekhoogte en -breedte met temperatuur, de verdwijnende temperatuur van ZEBS, de tunneling spectra in tip-nadering-sample proces, evenals ongesplitste eigendom blijken consistent te zijn met de interpretatie van de MZM. Andere mogelijkheden zoals Kondo-effect, conventionele onzuiverheidstoestanden of de Andreev-nulenergiegebonden toestanden in nodale supergeleiders bij hoge temperatuur kunnen in het algemeen worden uitgesloten.

De groep van professor Wang Ziqiang aan het Boston College stelde een mogelijke theoretische verklaring voor door de bandtheorie van de Shockley-oppervlaktetoestand uit te breiden tot het geval van supergeleiders. Door de grote spin-baan koppeling, het 1-D atomaire lijndefect in monolaag FeTe _0,5 Se _0,5 film kan een opkomende 1-D topologische supergeleider worden en een Kramers-paar MZM's dat verschijnt aan de uiteinden van het lijndefect beschermd door tijdomkeersymmetrie. Zelfs zonder tijdomkeersymmetrie langs het lijndefect, de 1-D topologische supergeleider kan ook worden gerealiseerd met een enkele MZM aan elk uiteinde van de keten. Dit werk, Voor de eerste keer, onthult een klasse van topologische nul-energie-excitaties aan beide uiteinden van 1-D atomaire lijndefecten in 2-D supergeleidende monolaag FeTe bij hoge temperatuur _0,5 Se _0,5 films, die de voordelen laten zien van een enkel materiaal, hogere bedrijfstemperatuur en nul extern magnetisch veld, en kan een nieuw platform bieden voor toekomstige realisaties van toepasbare topologische qubits.

Het artikel is online gepubliceerd door Natuurfysica