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    綜合新聞

    科學(xué)家實(shí)現大面積、高度有序和可調控的“馬約拉納零能模‘格點(diǎn)陣列’”

    文章來(lái)源:    |    發(fā)布時(shí)間:2022-06-14    |    【放大】 【縮小】  |  【打印】 【關(guān)閉

      馬約拉納零能模是凝聚態(tài)物理中的一類(lèi)拓撲非平庸準粒子激發(fā),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(shí)現拓撲量子計算的關(guān)鍵步驟,也是凝聚態(tài)物理前沿研究方向之一。近年來(lái),在拓撲非平庸的鐵基超導體中尋找馬約拉納零能模已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)展。與其他體系(如超導-半導體納米線(xiàn)、磁性原子鏈、拓撲絕緣體/超導異質(zhì)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(zhì),避免了復雜的材料結構設計和極低溫的觀(guān)測條件等問(wèn)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(fā)現以來(lái),人們在Fe(Te0.55Se0.45)、(Li0.84Fe0.16)OHFeSe、CaKFe4As4以及雜質(zhì)輔助的LiFeAs中均發(fā)現了馬約拉納零能模。然而,這些材料體系存在著(zhù)由于自摻雜帶來(lái)的體態(tài)不均一、渦旋陣列無(wú)序且不可控以及拓撲渦旋占比低等問(wèn)題,阻礙了其進(jìn)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(jìn)一步,是當前鐵基超導馬約拉納領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。

      最近,中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員高鴻鈞團隊對鐵基超導體LiFeAs進(jìn)行了更加細致而深入的研究。他們在實(shí)驗上發(fā)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(diǎn)陣列。其主要發(fā)現有以下幾點(diǎn)。1)晶體中的自然應力可誘導產(chǎn)生雙軸電荷密度波(Biaxial CDW)條紋,沿著(zhù)Fe-Fe和As-As晶格方向,其波長(cháng)分別為λ1~2.7 nm和λ2~24.3 nm(圖一)。2)波長(cháng)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(chǎng)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(chēng)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(guò)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(chǎng)調控,隨著(zhù)磁場(chǎng)增加,渦旋間距減小,馬約拉納零能模間的相互作用開(kāi)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(shí)現拓撲量子計算提供了重要的高質(zhì)量研究平臺。相關(guān)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(fā)表。該工作與美國波士頓學(xué)院教授Ziqiang Wang和中科院物理所研究員靳常青等進(jìn)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(xué)基金和中科院的支持。