Platô de condutância de polarização zero observado em FeTe0,55Se0,45. (A) Um esquema do método STM / S de acoplamento de túnel variável. Um mapa de condutância de polarização zero abaixo de 2,0 T é mostrado em uma superfície de amostra. Um espectro dI / dV medido no centro do núcleo do vórtice (Vs =-5 mV, It =500 pA, Vmod =0,02 mV) é mostrado na inserção superior direita, um pico agudo de condutância de polarização zero (ZBCP) é observado. Quando a corrente de tunelamento (It) é ajustada pelo circuito de regulação STM, o acoplamento de túnel entre a ponta STM e o MZM pode ser ajustado continuamente pela distância ponta-amostra (d). Maior acoplamento de túnel corresponde a menor d e maior condutância de barreira de tunelamento (GN =It / Vs, Vs é a tensão do ponto de ajuste). O deslocamento Z pode ser lido simultaneamente, que indica o movimento absoluto na direção z da ponta STM. (B) Um gráfico de intensidade de corte de linha ao longo da seta branca tracejada na inserção, medido a partir do mesmo vórtice mostrado em (A), mostrando um MZM estável em todo o núcleo do vórtice. (C) Um gráfico sobreposto de espectros dI / dV sob diferentes valores de acoplamento de túnel parametrizados em GN. A curva azul é medida sob a menor GN, enquanto a curva verde com a maior GN. (D) Um gráfico tridimensional de medição dependente de acoplamento de túnel, dI / dV (E, GN). Para maior clareza, apenas os pontos de dados na faixa de energia de [-5,0, 0,2] meV são mostrados. (E) Um gráfico de escala de cores de (C) dentro da faixa de energia de [-1,5, 1.5] meV que expande o espectro em função de GN. As informações de z-offset, que foi tirada simultaneamente pelo STM, também é rotulado no eixo superior. A distância máxima a que a ponta se aproxima é de 3,4 Å. (F) Um corte de linha horizontal na polarização zero de (E). A curva de condutância mostra um comportamento de platô com sua condutância de platô (GP) igual a (0,64 ± 0,04) G0. (G) A linha horizontal corta em valores de polarização alta de (E). A ausência de um platô de condutância nessas curvas indica o comportamento de tunelamento convencional na energia de estados contínuos. Todos os dados são medidos em Teff =377 mK. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax0274
Quando um nanofio semicondutor é acoplado a um supercondutor, ele pode ser ajustado para estados quânticos topológicos que se acredita que hospedem quasipartículas localizadas conhecidas como Modos Zero de Majorana (MZM). MZMs são suas próprias antipartículas, com aplicações promissoras em computação quântica topológica. Devido à equivalência partícula-antipartícula, MZMs exibem condutância quantizada em baixas temperaturas. Embora existam muitas propostas teóricas para realizar MZMs em sistemas de estado sólido, sua realização experimental é confrontada por não-idealidades.
Em um novo relatório em Ciência , Shiyu Zhu e uma equipe de pesquisadores interdisciplinares na China e nos EUA usaram espectroscopia de tunelamento de varredura acoplada a túnel variável para estudar a condutância de tunelamento de estados ligados a vórtices de supercondutores. Por exemplo, supercondutores têm uma "lacuna" de energia na ausência de estados de elétrons - portanto, os elétrons não podem entrar no túnel, ao passo que em uma linha de vórtice o campo magnético fechará a lacuna para formar estados de elétrons. Os pesquisadores relataram observações com FeTe 0,55 Se 0,45 supercondutores, onde eles registraram platôs de condutância em função do acoplamento de tunelamento para estados ligados a vórtices de energia zero, com valores próximos a, e mesmo alcançando, o valor de condutância quântica universal 2e 2 / h; onde e, é a carga do elétron eh é a constante de Planck. Em contraste, eles não observaram platôs em estados ligados a vórtices de energia finita ou dentro do continuum de estados eletrônicos fora da lacuna supercondutora. Este comportamento de condutância de modo zero suportou a existência de MZMs em FeTe 0,55 Se 0,45 cristais .
Modos Majorana Zero (MZMs) obedecem estatísticas não-Abelianas, ou seja, excitações além dos modos fermiônicos ou bosônicos usuais de excitação, para desempenhar um papel extremamente importante na computação quântica. Nas últimas duas décadas, físicos previram MZMs dentro de supercondutores de onda p e materiais acoplados a spin-órbita próximos (para realizar propriedades de um material ausente de qualquer região constituinte da heteroestrutura), por supercondutores de onda s. Os pesquisadores observaram evidências experimentais de MZMs em vários sistemas, incluindo nanofios supercondutores semicondutores, heteroestruturas supercondutoras isolantes topológicas e cadeias atômicas em substratos supercondutores. Físicos e cientistas de materiais também desenvolveram recentemente supercondutores à base de ferro a granel totalmente espaçados como uma plataforma de material único para realizar MZMs. Subseqüentemente, eles encontraram evidências de MZMs em vórtices topológicos na superfície de FeTe 0,55 Se 0,45 cristais usando microscopia / espectroscopia de tunelamento de varredura (STM / S).
A condutância de um MZM pode exibir um platô quantizado em temperaturas suficientemente baixas no valor de 2e 2 / h; onde e é a carga do elétron eh a constante de Planck. Esta condutância quantizada Majorana resulta da reflexão ressonante perfeita de Andreev - um tipo de espalhamento de partículas que ocorre nas interfaces entre um supercondutor e o material de estado normal, garantida pela inerente simetria partícula-buraco de MZM. Os cientistas observaram um platô de condutância quantizado em um sistema de nanofios InSb-Al, consistente com a existência de MZMs. De forma similar, supercondutores à base de ferro com picos de condutância de polarização zero (ZBCPs) obtidos usando experimentos STM / S têm grandes lacunas topológicas e oferecem a possibilidade de observar a condutância quantizada de Majorana, sem contaminação de estados ligados de Caroli-de Gennes-Matricon (CBSs). Como resultado de perspectivas experimentais anteriores, Zhu et al. atualmente empregou um método STM / S de acoplamento de túnel variável para estudar a condutância de Majorana em uma grande faixa de distância ponta-amostra em núcleos de vórtice de FeTe 0,55 Se 0,45 amostras de cristal.
Reflexão de Andreev ressonância induzida por Majorana. (A) Um espectro dI / dV medido no centro de um vórtice topológico (Vs =-5mV, It =140 nA, Vmod =0,02 mV), que mostra um MZM (seta vermelha) coexistindo com um CBS de alto nível localizado a ± 0,31 meV. (B) Uma medição dependente de acoplamento de túnel no vórtice mostrado em (A) a 2 T. Painel superior:um gráfico em escala de cores, dI / dv. A posição GN de (A) é marcada por uma seta preta. Painel do meio:evolução do acoplamento de túnel da condutância CBS, que não mostra comportamento de platô. Painel inferior:evolução do acoplamento do túnel da condutância nas energias de 0 meV (círculos vermelhos, exibindo um platô) e 2 meV (triângulos pretos aumentando monotonicamente). (C) Um espectro dl / dv medido no centro de um vórtice comum (Vs =-5mV, It =140 nA, Vmod =0,02 mV), que mostra claramente três níveis de CBS a ± 0,13 meV (setas magenta e azuis), ± 0,39 meV (setas pretas) e ± 0,65 meV (seta verde). (D) Semelhante a (B), mas medido no vórtice mostrado em (C). Painéis intermediários e inferiores:evolução do acoplamento de túnel da condutância CBS, não mostrando nenhuma característica de platô. (E) Um espectro dI / dV medido em 0T (Vs =-5mV, It =80 nA, Vmod =0,02 mV). Uma lacuna supercondutora dura pode ser vista. (F) Semelhante a (B) e (D), mas medido abaixo de 0 T. Painel do meio:evolução do acoplamento de túnel de condutância de polarização zero (caso de junção metal-supercondutor normal). Painel inferior:evolução do acoplamento do túnel na energia do gap acima (caixa de junção metal normal-metal normal). Não há comportamento de platô em 0 T. (G) Um esquema de tunelamento ressonante através de um sistema de barreira simétrica. A evolução da função de onda de um elétron em túnel é mostrada. kt é a constante de penetração. (H) A visão de barreira dupla da reflexão ressonante de Andreev induzida por MZM. As cores azul e vermelha indicam o processo de elétron e buraco, respectivamente. A equivalência de partículas e componentes de buraco no MZM garante o mesmo acoplamento de túnel na barreira de elétron e buraco. (I) A visão de barreira dupla da reflexão de Andreev mediada por uma CBS. A mistura arbitrária de componentes de buraco de partícula em CBS quebra a condição de ressonância. Todos os dados são medidos a 377 mK. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax0274
A temperatura efetiva do elétron do microscópio de tunelamento de varredura (STM) foi de 377 mK e os pesquisadores ajustaram continuamente o acoplamento do túnel mudando a distância ponta-amostra, que se correlacionou com a condutância da barreira do túnel. Ao aplicar um campo magnético de 2 T (Tesla) perpendicular à superfície da amostra, Zhu et al. observou um ZBCP acentuado (pico de condutância de polarização zero) em um núcleo de vórtice. Como esperado para um MZM isolado em um vórtice limitado por quantum, o ZBCP não se dispersou ou se dividiu no núcleo do vórtice. Eles realizaram medições dependentes de acoplamento de túnel no ZBCP observado, adicionando a ponta STM no centro de um vórtice topológico, para gravar um conjunto de dI / dV espectros correspondentes à densidade de elétrons de estados na posição da ponta, para diferentes distâncias ponta-amostra. Eles observaram que o ZBCP permanecia como um pico bem definido localizado na energia zero.
Para examinar a simetria partícula-buraco dos MZMs, eles compararam e contrastaram o comportamento de condutância de MZMs de energia zero e CBSs de energia finita (estados ligados de Caroli-de Gennes-Matricon). Zhu et al. observaram dois tipos distintos de vórtices topológicos e comuns com, ou sem MZM, que diferia por uma mudança de nível de meio inteiro de estados ligados ao vórtice. Eles realizaram medições dependentes de acoplamento de túnel em um vórtice topológico para mostrar um MZM e o primeiro nível de CBS, a 0 meV e ± 0,3 meV, eles também realizaram medições em um vórtice comum.
Quando a equipe de pesquisa repetiu os experimentos em campo magnético zero no mesmo local, eles observaram um duro, lacuna supercondutora. Os cientistas apenas observaram o recurso de platô de condutância em ZBCP, que indicou um comportamento exclusivo para os modos Majorana. O comportamento de platô observado no trabalho também forneceu evidências para a reflexão ressonante de Andreev induzida por Majorana. Depois disso, durante o tunelamento de elétrons de um eletrodo normal através de uma barreira para um supercondutor, a equipe observou o processo de reflexão de Andreev converter o elétron incidente em um orifício de saída dentro do mesmo eletrodo. Isso resultou em um sistema de barreira dupla no espaço de Hilbert do buraco das partículas (um espaço vetorial abstrato em mecânica quântica).
No caso da reflexão de Andreev através de um único MZM, amplitudes iguais de componentes de partícula / orifício devido à equivalência partícula-antipartícula de MZMs garantiram acoplamento de túnel idêntico, com o elétron e o orifício no mesmo eletrodo (Γ e =Γ h ) Como resultado, a reflexão ressonante de Andreev mediada por um único MZM levou a um 2e 2 / h-quantizado zero-bias condutância platô. Em contraste, CBS de baixa energia e outros estados de sub-gap triviais não contêm simetria de Majorana e a relação entre o elétron e o buraco é quebrada em uma reflexão de Andreev mediada por CBS, causando uma ausência de um platô de condutância. Além disso, quando Zhu et al. removeu o campo magnético no sistema experimental, o platô de condutância de polarização zero observado no núcleo do vórtice desapareceu, portanto, as observações não puderam ser creditadas ao transporte balístico quântico.
A variação da condutância do planalto de Majorana. (A) Um histograma do Gp de 31 conjuntos de dados que são medidos com o mesmo instrumento. A classificação da condutância de platô (Gp) na ordem de ampliação crescente pode ser encontrada (Vs =-5mV, Vmod =0,02 mV). (B) O gráfico de sobreposição de espectros de 38 dI / dV selecionados a partir de um vórtice topológico que atingiu um patamar de condutância quantizado (Vs =-5mV, Vmod =0,02 mV). (C) Um gráfico de escala de cores de (B) com a faixa de energia de [-2,5, 2,5] meV que mostra os espectros em função de GN. (D) Um corte de linha horizontal na polarização zero de (C). A curva de condutância mostra o alcance do platô de condutância G0. (E) Uma série de medições dependentes de acoplamento de túnel no mesmo MZM, com quatro tensões de modulação de 0,02 mV, 0,05 mV, 0,10 mV e 0,20 mV. (F) O gráfico de Gp como uma função da tensão de modulação dos dados mostrados em (E). (G) Relação entre meio máximo de onda completa de ZBCP e Gp, obtidos a partir de cinco MZMs diferentes medidos nas mesmas condições experimentais, sugerindo que o efeito de envenenamento de quasipartículas afeta o valor do platô. Os FWHM foram extraídos do espectro medido a uma grande distância ponta-amostra com os mesmos parâmetros experimentais (Vs =-5 mV, It =500 pA, Vmod =0,02 mV). Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax0274
Os cientistas observaram o comportamento do platô de ZBCPs repetidamente em muitos vórtices topológicos em 60 medições. Para compreender os efeitos do alargamento instrumental nos platôs de condutância de Majorana, os cientistas variaram a tensão de modulação (V mod ) Isso permitiu que estudassem o V mod -evolução dos platôs de condutância de Majorana em um determinado vórtice topológico. Zhu et al. em seguida, testei a reversibilidade do processo variando o acoplamento de tunelamento em STM. Eles descobriram que a topografia e o platô de condutância podem ser reproduzidos após duas sequências repetidas para indicar a ausência de danos irreversíveis na ponta e na amostra durante as medições. A equipe de pesquisa exige mais esforços teóricos para reunir uma compreensão completa dos experimentos, visto que não excluíram outros mecanismos relacionados a platôs de condutância de polarização zero.
Reversibilidade das medições dependentes do acoplamento do túnel. (A) - (B) Um mapa dI / dV de polarização zero e topografia STM correspondente medida antes das medições dependentes de acoplamento de túnel. O mapa e a topografia são medidos na mesma área. O campo magnético é de 2,0 T. (C) - (D) Um mapa dI / dV de polarização zero e topografia STM correspondente medida após medições dependentes de acoplamento de túnel. O campo magnético é de 2,0 T. Os parâmetros de medição são iguais aos de (A-B):polarização da amostra, Vs =–5 mV; corrente de tunelamento, It =500 pA. (E) - (F) Duas sequências repetidas de medições dependentes de acoplamento de túnel na mesma posição espacial, mostrando uma condutância de platô média de 0,30 G0, respectivamente. Os dados mostrados em (F) são registrados durante um segundo processo de aproximação da ponta após terminar o primeiro. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax0274
Desta maneira, a observação de um platô de condutância de polarização zero em um vórtice bidimensional experimental se aproximou do valor de condutância quantizado de 2e 2 / h. Nesse trabalho, Shiyu Zhu e seus colegas forneceram evidências espectroscópicas espacialmente resolvidas para a transmissão de elétrons ressonantes induzida por Majorana em um supercondutor em massa. Os resultados dão um passo adiante em direção às aplicações de operadores de trança para descrever emaranhamentos topológicos ou portas quânticas universais para computação quântica topológica.
© 2019 Science X Network
