Science Advances報導量子中心王健教授及合作者在二維極限下的...

2020/03/26 信息來源： 量子材料科學中心

編輯：麥洛 | 責編：凌薇

量子計算是從單個量子比特出發，通過主動操控量子態，可以解決當前經典計算機無法有效完成的某些重要計算問題，對未來信息技術的走向可能有決定性作用，因此得到當前國際上的廣泛關注和重視。這一巨大應用前景激勵著世界科技巨頭和高技術公司，如谷歌、IBM、微軟、因特爾、阿里巴巴、騰訊、百度和許多初創企業投入巨資對其進行研發。歐盟啟動10億歐元的量子旗艦計劃，而美國、英國、德國、日本等國家也在量子信息科學領域做了重要戰略布局，全球已經進入了所謂的「量子超越（supremacy）」時代。量子計算的最主要問題是如何延長量子比特的退相干時間以及在提高相干量子比特數的同時如何保證每個比特的保真度（fidelity），也即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。因此，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。馬約拉納費米子是反粒子為其自身的特殊費米子，在粒子物理領域一直未曾被觀測到。其凝聚態物質中的「對應物」馬約拉納準粒子，在零維受限下表現為馬約拉納零能束縛態或零能模。馬約拉納零能模服從非阿貝爾統計，具備抗局域幹擾和高容錯的特性，因被認為是實現拓撲量子比特的基礎而倍受重視。基於共振安德列夫反射，馬約拉納零能模在隧穿實驗中的典型信號為零能電導峰。理論上預測在與s波超導體近鄰耦合的強Rashaba自旋-軌道耦合納米線、拓撲絕緣體和Fe原子鏈等體系端點或拓撲點缺陷（磁通渦旋等）上存在馬約拉納零能模。基於這些提案，實驗上陸續探測到符合理論預期的零能束縛態。儘管目前馬約拉納零能模的實驗證據還不能被所有專家完全接受，每一次相關的實驗進展都會引起國際上學界和產業界的廣泛關注。然而當前探索馬約拉納零能束縛態所需的微納加工工藝、極低溫與外磁場等條件給馬約拉納零能模可能的應用帶來了極大的困難和挑戰。近期鐵基超導體Fe(Te、Se)塊材被證實為具有超導拓撲表面態的材料，或為解決上述問題提供備選思路。然而，其相對偏低的超導轉變溫度Tc（約15 K）及磁通渦旋的操縱性困難亟需沿該方向進一步優化方案，以探索高溫超導體中馬約拉納零能模的可能性。

近期，北京大學物理學院量子材料科學中心王健教授課題組與波士頓學院汪自強教授、中國科學院物理研究所胡江平研究員等合作，在二維極限下的高溫超導體薄膜表面沉積的間隙Fe吸附原子上探測到符合馬約拉納零能模特徵的新奇零能束縛態。王健課題組通過超高真空分子束外延技術，在SrTiO₃襯底上成功製備出宏觀尺度的單原胞層（厚度小於1納米）高溫超導體FeSe與FeTe_0.5Se_0.5單晶薄膜，其超導轉變溫度大約在60K左右，並通過原位掃描隧道顯微鏡和隧道譜技術對其中的超導配對機制進行了深入研究【PRL 123, 036801 (2019); Nano Letters 19, 3464 (2019); Nano Letters 20, 2056(2020)】。在此基礎上，王健課題組通過分子束外延在單層FeSe與FeTe_0.5Se_0.5薄膜表面沉積Fe原子（襯底溫度約143-155 K，沉積密度約0.002-0.003層）。原位掃描隧道顯微鏡觀測表明，沉積的Fe原子處於薄膜上層的Te/Se原子間隙處。由於沉積密度極低，Fe原子以孤立吸附原子形式存在，且吸附位附近無近鄰Fe原子團簇。系統的原位超高真空（~10⁻¹⁰ mbar）掃描隧道譜實驗發現，對特定的吸附原子/單層FeSe（FeTe_0.5Se_0.5）耦合強度[數量佔比約13% (15%)]，Fe吸附原子上可觀測到尖銳的零能電導峰（圖1）。該電導峰緊密分布在吸附原子附近，衰減長度~3 Å，且遠離吸附原子時不劈裂。變溫實驗表明，零能電導峰在遠低於超導轉變溫度時即消失，可初步排除Kondo效應、常規雜質散射態等解釋（圖2A和圖2B）。進一步的控制實驗和分析顯示，零能電導峰半高寬嚴格由溫度和儀器展寬限制、在近鄰雙Fe原子情形不劈裂、服從馬約拉納標度方程，這些結果均與馬約拉納零能模的唯象學特徵吻合（圖2C-圖2G）。對沉積於單層FeSe薄膜與FeTe_0.5Se_0.5薄膜上的Fe吸附原子，結果基本相同。相比於單層FeSe，統計結果表明單層FeTe_0.5Se_0.5上Fe吸附原子中觀測到零能束縛態的機率更高且信號更強。汪自強和合作者曾在理論上提出，無外加磁場時，強自旋-軌道耦合s波超導體間隙磁雜質可產生量子反常磁通渦旋。理論上如果單層FeSe和FeTe_0.5Se_0.5由於空間反演對稱破缺而具有較強的Rashba自旋-軌道耦合, Fe原子的磁矩局域破壞時間反演對稱，可以使量子反常渦旋「承載」馬約拉納零能模。對單層FeSe和FeTe_0.5Se_0.5有些理論也預測存在拓撲非平庸相。在二維拓撲超導體中，馬約拉納零能模也會產生於Fe原子誘導的量子反常渦旋中的束縛態。因此，實驗中觀測到的零能電導峰可歸因於Fe吸附原子引起的局域量子反常渦旋。更深入、具體的理解還有待於進一步的實驗和理論探索。這一工作將探索馬約拉納零能模的超導材料從三維拓展到二維、從低溫超導拓展到超過40K超導轉變溫度的高溫超導體系，同時無需外加磁場，觀測到的零能束縛態原則上可操縱、「存活」溫度明顯提升。這些優勢為未來實現可應用的拓撲量子比特提供了可能的方案。

圖1. A&B，單層FeSe上Fe吸附原子及其隧穿譜；C，沿A中箭頭採集的隧穿譜；D，A中視野採集的零偏壓電導面譜；E，沿D中虛線L的的輪廓線及e指數擬合

圖2. A，單層FeTe_0.5Se_0.5上Fe吸附原子的零能束縛態的變溫隧穿譜（空心圓圈），其中實線為4.2 K譜與高溫費米函數的卷積譜。插圖為單層FeTe_0.5Se_0.5上Fe吸附原子的原子分辨圖；B，從A中提取的零偏壓電導G_p隨溫度的演化；C，零偏壓電導峰的半高寬分析；D&E，近鄰雙Fe原子及其隧穿譜；F，不同隧穿勢壘電導G_N下的零能束縛態譜；G，馬約拉納標度方程分析

該工作於2020年3月25日發表於Science Advances【Sci. Adv. 6: eaax7547 (2020)】。王健為通訊作者，北京大學博士生劉超飛、陳澄為共同第一作者。這一工作的理論合作者為汪自強和胡江平。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、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。