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十博入口拓扑量子计算团队在马约拉纳纳米线体系量子化零能电导研究方面取得进展

2022/10/17

最近,十博入口拓扑量子计算团队与清华大学、中科院半导体所等共建单位相关科研人员合作,在马约拉纳纳米线体系量子化零能电导研究方面取得一系列进展。


理论预言半导体纳米线同超导耦合后在特定的电场和磁场条件下可实现马约拉纳零能模,因此这类纳米线又被称为“马约拉纳纳米线”。马约拉纳零能模的一个主要实验证据是隧穿电导谱中量子化的零偏压电导峰。近年理论发展意识到一类特殊的拓扑平庸的安德列夫束缚态,也能导致量子化的零偏压峰。其机制同马约拉纳零能模类似:借助于平滑的隧穿势垒,该安德列夫束缚态可分解为两个空间有重叠的马约拉纳零能模,并只有一个贡献电导(故量子化),另一个和外界无耦合。因该安德列夫态可在量子化甚至非阿贝尔编织操作上模拟真实的马约拉纳, 又称为“准马约拉纳零能模”。

科研团队在大幅提高InAs-Al纳米线材料和器件质量后,观测到量子化零偏压电导峰(见图1)。该电导峰在量子化附近(5%精度范围内)形成一个电导平台。这是首次观测到随三个实验参数变化(隧穿栅极电压、整体栅极电压、磁。┒伎尚纬善教ǖ摹傲孔踊骸。实验结果同马约拉纳或“准马约拉纳“的预言吻合。2022年10月14日,该工作以”Plateau regions for zero-bias peaks within 5% of the quantized conductance value 2e2/h” 为题发表在Physical Review Letters上。


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图1  (a)器件扫描电镜图。(b) 零偏压电导峰随磁场和门电压的变化,黑线为零偏压电导。(c) 零偏压电导峰随偏压和磁场的变化。


      当隧穿势垒进一步降低,零偏压电导会继续维持在量子化附近,而高偏压电导则会超过量子化,形成量子化零偏压电导峰-电导谷的连续转变。这一转变是由于马约拉纳或准马约拉纳的自旋选择性质所导致。图2(a)为这一转变的示意图(非实验数据)。该图取自十博入口兼聘研究员张浩和刘东撰写的综述文献Nature Communications 10, 5128 (2019)。近期,拓扑量子计算团队在另一个InAs-Al纳米线器件中观察到由磁场诱导的零偏压电导峰-电导谷在量子化附近的转变,见图2(b)。2022年9月23日,该工作以”Large zero bias peaks and dips in a four-terminal thin InAs-Al nanowire device”为题发表在 Physical Review Research 上。


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图2  (a), 马约拉纳器件示意图(上)和量子化电导峰-电导谷转变示意图(下);(b)InAs-Al 器件图(上)和随磁场变化的电导谱(下);(c)超细InAs-Al 纳米线的扫描电镜图、透射电镜图,硬超导能隙以及双电子库珀对库伦阻塞。


以上两个工作皆基于超细InAs-Al纳米线。该材料由半导体所赵建华-潘东团队生长,拓扑量子计算团队表征其硬超导近邻能隙和双电子库珀对库伦阻塞,见图2(c)。2022年4月1日,该工作以”In situ epitaxy of pure phase ultra-thin InAs-Al nanowires for quantum devices” 为题发表在Chinese Physics Letters上。


以上系列工作的第一作者有:十博入口助理研究员宋化鼎,清华物理系研究生王照宇、张梓桐,博士后张珊,中科院半导体所潘东研究员等。通讯作者有:十博入口助理研究员宋化鼎,副研究员尚汝南,中科院半导体所赵建华研究员以及十博入口兼聘研究员张浩等。其他合作者还包括十博入口助理研究员曹霑,张谷,兼聘研究员刘东和何珂等。该系列工作得到了国家自然科学基金委,北京市科委,清华大学自主科研计划,清华大学低维量子物理国家重点实验室,量子信息前沿科学中心等的经费支持和帮助。


文章链接

● https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.167702

● https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevResearch.4.033235

● http://cpl.iphy.ac.cn/Y2022/V39/I5/058101


拓扑量子计算团队  供稿)

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