進展 成功實現馬約拉納零能模與Yu-Shiba-Rusinov束縛態間的可逆轉變

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馬約拉納費米子是意大利物理學家馬約拉納預言的一種反粒子為其本身的奇特基本粒子。尋找馬約拉納費米子是高能物理領域的一大研究熱點,然而卻始終未能找到該粒子存在的確切證據。在固體材料中,在特定的拓撲缺陷上存在着與馬約拉納費米子具有類似性質的準粒子,該準粒子的產生湮滅算符滿足自共軛關係,因此被稱為馬約拉納零能模。馬約拉納零能模符合非阿貝爾統計,其編織操作是實現容錯拓撲量子計算的主要路徑之一。

自2017年以來,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞/丁洪聯合研究團隊在鐵基超導體系列材料中展開了深入合作。他們利用自主設計組裝的多台獨立的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡 (STM) 聯合系統對馬約拉納零能模進行了系統研究。2017年,他們首次在鐵基超導體FeTe0.55Se0.45單晶錶面的磁通渦旋中觀察到了純凈的馬約拉納零能模 (D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。該結果被覆旦大學、日本理化學研究所 (RIKEN)、美國伊利諾伊大學、南京大學等機構的獨立研究團隊所驗證。隨後,高鴻鈞/丁洪聯合研究團隊針對馬約拉納零能模只存在於部分磁通渦旋這一現象進行了深入研究,發現這是由於FeTe0.55Se0.45單晶錶面化學勢的不均勻導致強拓撲絕緣體態可能在部分區域被破壞,出現局域的錶面拓撲錶面態缺失 (L. Kong et al., Nature Physics 15, 1181 (2019))。更進一步,他們還在FeTe0.55Se0.45單晶拓撲錶面的磁通渦旋中觀察到了馬約拉納零能模的近量子化平臺 (S. Zhu et al., Science 367, 189 (2020)),為FeTe0.55Se0.45單晶錶面的磁通渦旋中馬約拉納零能模的存在提供了強有力的證據。此外,他們還在CaKFe4As4單晶錶面的磁通渦旋中也觀測到了馬約拉納零能模,將馬約拉納零能模的研究拓展到了鐵磷基超導家族 (W. Liu et al., Nature Commun. 11, 5688 (2020))。

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圖1 FeTe0.55Se0.45單晶錶面沉積單原子鐵示意圖和鐵原子上兩種束縛態

這個馬約拉納平臺也對具有拓撲非平凡帶結構的超導體缺陷激發的基本理解提出了新的挑戰,併為在不同物理條件下創造馬約拉納零能模提供了新的可能性。通常,超導體上具有兩大類缺陷態:磁性雜質誘導的具有自旋極化的Yu-Shiba-Rusinov (YSR)束縛態和磁場誘導的磁通渦旋內的Caroli-de-Gennes-Matricon (CdGM) 束縛態。2015年,殷嘉鑫等人在中國科學院物理研究所潘庶亨研究員和丁洪研究員的指導下利用極低溫高分辨率STM在鐵基超導體Fe1+x(Te, Se)中處於間隙位置的單個鐵雜質上發現魯棒的零能束縛態(J. Yin et al., Nature Phys. 11, 543 (2015)),但之後一直缺乏對這個零能束縛態的進一步理解。近期,有理論工作認為,當FeTe0.55Se0.45單晶中的間隙鐵原子與基底的交換相互作用足夠強時,交換相互作用和自旋軌道耦合會產生一個等效磁場,在Fe原子附近誘導出量子反常渦旋 (QAV),由於FeTe0.55Se0.45單晶的拓撲錶面態的存在,在QAV中可以產生馬約拉納零能模。

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圖2 鐵原子上零能峰的空間、溫度和磁場依賴

最近,高鴻鈞院士研究團隊(範朋、錢國健、陳輝等人)與丁洪研究員團隊(楊發枝等人)和美國波士頓學院汪自強教授進一步合作。他們利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡,對FeTe0.55Se0.45單晶錶面單個鐵原子上的束縛態進行了系統研究。他們在FeTe0.55Se0.45單晶錶面低溫沉積單個鐵原子,併在鐵原子上觀測到了YSR束縛態和零能模 (圖1)。通過對具有零能模的Fe原子做空間依賴的掃描隧道譜 (dI/dV譜),發現零能模隨空間變化不發生劈裂,並且在零能模附近有呈整數量子化能量分佈的束縛態 (圖2),這符合量子極限下拓撲磁通渦旋內CdGM束縛態呈整數量子化分佈的特點。通過對零能模進行變溫測試,發現零能模消失溫度為4 K,與磁通渦旋中馬約拉納零能模的行為一致 (圖2)。在高場下,零能模不劈裂且半峰寬保持不變,顯示出其在磁場下的穩定性 (圖2),與YSR束縛態在磁場下劈裂的現象有顯著不同。上述結果為FeTe0.55Se0.45單晶錶面鐵原子處QAV及馬約拉納零能模的存在提供了強有力的證據。

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圖3 通過STM針尖操縱實現YSR束縛態和馬約拉納零能模的可逆轉變

更進一步,他們在Fe原子正上方連續可控地改變針尖與Fe原子的距離,從而有效改變Fe原子和基底的交換相互作用,以此成功實現了YSR束縛態與馬約拉納零能模的可逆轉變 (圖3)。並且,他們多次觀測到當QAV和磁場誘導的磁通渦旋距離很近時,馬約拉納零能模因互相耦合而產生劈裂,並且劈裂的寬度隨二者距離的進一步靠近而變大 (圖4)。

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圖4 QAV和磁場誘導的磁通渦旋內馬約拉納零能模之間的相互作用

該研究工作利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡,深入系統地研究了FeTe0.55Se0.45單晶錶面鐵原子上馬約拉納零能模的空間分佈,溫度和磁場依賴,揭示了其拓撲性質,觀測到QAV和磁場誘導磁通渦旋內馬約拉納零能模的相互作用,提供了QAV和馬約拉納零能模存在的有力證據,併進而通過針尖操縱實現了YSR束縛態與馬約拉納零能模的可逆轉變。

該研究為進一步研究馬約拉納零能模的相互作用和編織開闢了新的路徑,對未來拓撲量子計算起到了推動作用。相關結果於3月1日在線發表在Nature Communications上 (Nat. Commun. 12, 1348 (2021))。範朋、楊發枝、錢國健、陳輝為共同第一作者。高鴻鈞、汪自強和丁洪為共同通訊作者。美國布魯克海文國家實驗室顧根大研究員提供了高質量的單晶樣品。該工作得到了國家自然科學基金委 (11888101, 61888102, 52022105, 11674371), 科技部 (2016YFA0202300, 2018YFA0305800, 2019YFA0308500)和中國科學院 (XDB28000000, XDB07000000, 112111KYSB20160061)的支持。

文章鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21646-x


編輯:Eric


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