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    科學家實現大面積、高度有序和可調控的“馬約拉納零能?!顸c陣列’”

    2022-06-08 前沿科學與教育局 物理研究所
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    語音播報

    [video:20220609【朝聞天下】中科院物理所發布馬約拉納零能模陣列新發現 首次實現大面積 有序和可調控]

      馬約拉納零能模是凝聚態物理中的一類拓撲非平庸準粒子激發,因其服從非阿貝爾統計規律,被認為是構筑拓撲量子比特的基本單元。在晶體材料體系中尋找并調控馬約拉納零能模是實現拓撲量子計算的關鍵步驟,也是凝聚態物理前沿研究方向之一。近年來,在拓撲非平庸的鐵基超導體中尋找馬約拉納零能模已經取得了長足的進展。與其他體系(如超導-半導體納米線、磁性原子鏈、拓撲絕緣體/超導異質結等)相比,鐵基超導體具有單一組分、高溫超導、本征拓撲等性質,避免了復雜的材料結構設計和極低溫的觀測條件等問題,是研究馬約拉納零能模的理想載體。

      自從鐵基超導體拓撲能帶的發現以來,人們在Fe(Te0.55Se0.45)、(Li0.84Fe0.16)OHFeSe、CaKFe4As4以及雜質輔助的LiFeAs中均發現了馬約拉納零能模。然而,這些材料體系存在著由于自摻雜帶來的體態不均一、渦旋陣列無序且不可控以及拓撲渦旋占比低等問題,阻礙了其進一步的研究和應用。如何突破當前研究瓶頸,獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列,向拓撲量子計算更進一步,是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。

      最近,中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員高鴻鈞團隊對鐵基超導體LiFeAs進行了更加細致而深入的研究。他們在實驗上發現,應力可以誘導出的大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列。其主要發現有以下幾點。1)晶體中的自然應力可誘導產生雙軸電荷密度波(Biaxial CDW)條紋,沿著Fe-Fe和As-As晶格方向,其波長分別為λ1~2.7 nm和λ2~24.3 nm(圖一)。2)波長為λ2的CDW對超導能隙具有明顯的調制作用,當施加垂直于樣品表面的磁場后,形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導序較弱的As-As方向電荷密度波條紋上,形成有序的渦旋陣列(圖二)。3)雙軸電荷密度波的存在使得晶體對稱性降低,從而改變了費米能級附近的拓撲能帶結構,使得超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模,形成高度有序的馬約拉納零能模陣列(圖三、圖四)。4)這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調控,隨著磁場增加,渦旋間距減小,馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯(圖四)。

      這些研究結果表明,大面積有序可調的馬約拉納零能模陣列可以在LiFeAs中穩定存在,為實現拓撲量子計算提供了重要的高質量研究平臺。相關成果以Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally-strained LiFeAs為題,在2022年6月8日于《自然》(Nature)發表。該工作與美國波士頓學院教授Ziqiang Wang和中科院物理所研究員靳常青等進行了合作。物理所靳常青和望賢成提供了LiFeAs單晶。博士研究生李萌、副研究員李更和博士曹路為論文共同第一作者,高鴻鈞和Ziqiang Wang為共同通訊作者。

      該工作得到科技部、國家自然科學基金和中科院的支持。

      論文鏈接 

    圖一:LiFeAs雙軸CDW區域的表征

    圖二:磁通渦旋中的馬約拉納零能模

    圖三:馬約拉納零能模產生機理

    圖四:用磁場調控大面積有序的馬約拉納零能模格點陣列

    打印 責任編輯:任霄鵬

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