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拓扑超导是目前凝聚态物理研究中的一个重要前沿方向。在拓扑超导体中能够激发出与自身反粒子等同的马约拉纳费米子或模(Majoranafermion/mode),有助于实现容错性的量子计算。马约拉纳模在电子隧道谱上表现在零能有个电导峰,而这一现象能够在拓扑超导体中被发现。根据前期报道,马约拉纳零能模在为数不多的拓扑超导体的磁通芯子内以及在超导体上生长的一维磁性原子链顶端被观察到。因此,在其他更容易制备的材料结构中寻找到马约拉纳零能模具有非常重要的科学意义

南京大学物理学院闻海虎、杨欢教授团队在铁基超导体Fe(Te,Se)表面成功生长出纳米尺寸的铋原子岛,并在一些直径在6-8nm左右的铋岛表面直接测量到零偏压电导峰,而且此零能峰在这些铋岛表面各处都能被探测到。通过进一步研究和分析,他们认为这些零能模符合马约拉纳模的特征。该工作为寻找马约拉纳模提供了一种新的容易集成的材料平台,为日后开发新的量子计算器件提供了新方案。该工作近日以"Robust Zero Energy Modes on Superconducting Bismuth Islands Deposited on Fe(Te,Se)"为题发表在【Nano Letters 20, 2965 (2020)】。 

他们利用铁基超导体Fe(Te,Se)作为基底,在上面利用分子束外延技术生长出纳米尺寸的单质铋元素形成的岛。这些铋岛的面内尺寸在几个到十几个纳米,高度在几个到十几个埃。他们利用扫描隧道谱技术,能够观测到铋岛上通过基底的临近效应诱导出的超导电性。他们进一步发现在一些尺寸在6-8nm的铋岛(如图1a,c所示)上,能够观测到清晰的零能峰,这些零能峰不仅仅在边缘而在整个铋岛表面都被发现,其峰的位置基本被固定在零能,如图1(b)和图1(d)所示。除此之外,他们还进一步研究了零能模随温度的升高和外磁场的增加如何演变,这些结果对研究其形成机理具有指导意义。该研究成果提供了一种新的材料构型来实现马约拉纳模,可能会帮助进行马约拉纳模的编织并最终应用于拓扑量子计算。    

图1. 铁基超导体FeTe0.55Se0.45上生长的Bi岛上观察到的零能峰。(a) 面内尺寸为8nm左右的Bi岛的形貌;(b) 在Bi岛上(黑色和绿色)及其周围(红色)测量到的隧道谱,可见在Bi岛上清晰观测到一个零能模;(c)Bi岛顶端看见的图像;(d,e) 跨越这个Bi岛(图c虚线)测量的隧道谱,可以发现整个Bi岛上都有零能峰,出了Bi岛零能模就消失了。

该最新成果是闻海虎、杨欢教授团队独立完成的,陈晓宇、陈明扬同学为文章共同第一作者,闻海虎教授和杨欢教授为共同通讯作者。该团队最近几年不断在拓扑超导研究方面取得新进展。他们在可能的拓扑超导体SrxBi2Se3的表面观察到拓扑表面态的狄拉克电子被体超导态诱导成库柏对的证据【Nature Communications 8, 14466 (2017)】;在铁基超导体Fe(Te,Se)上镀制的Bi2Se3薄膜上发现二度对称的超导能隙,以及拉长的磁通形状和磁通芯子里面的零能模,这些都是拓扑超导的典型特征【Science Advances 4, eaat 1084 (2018)】。在此方向继续努力,相信一定会获得更多更好的成果。 此工作得到教育部一流学科建设、国家重点研发计划、自然科学基金委和2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持,在此表示感谢。