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背景介绍
近年来，研制超越经典计算机运算能力的量子计算机，已成为国际科技领域的前沿焦点和各国实现量子超越的核心方向。然而量子计算面临的最大问题是因退相干效应的存在，量子比特的运算需要更多比特数来纠错。因此，探索可容错的量子计算，也即对环境细节不敏感的拓扑量子计算，就成为最终实现规模化量子计算的重要途径。凝聚态物质中的马约拉纳准粒子，其零能束缚态特征之一为在零偏压下出现微分电导峰，被称为马约拉纳零能模。因其受拓扑简并保护，满足非阿贝尔统计，具备抗局域干扰和高容错的特性，被认为是实现拓扑量子比特的基础。马约拉纳零能模被理论预言存在于p波拓扑超导体的磁通涡旋中心或一维拓扑超导的端点处。探测作为量子态非贝尔激发的马约拉纳零能模是具有基础意义的重要挑战。实验上，当前主流的方法是通过s波超导体和三维拓扑绝缘体之间的近邻效应实现超导拓扑表面态，再对其中的磁通涡旋态进行观测；或是通过一维强自旋轨道耦合的半导体纳米线与s波超导体接触，外加磁场下，在线端观测零压电导峰。然而，构造这类异质结构需要复杂的制造工艺，进行观测需要极低温和外加磁场，这些条件都给马约拉纳零能模可能的应用带来了极大的困难和挑战。
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授研究组与波士顿学院汪自强教授等合作在二维铁基高温超导体中的一维原子缺陷链两端发现马约拉纳零能模，为实现较高温度下、无外加磁场的拓扑零能激发态提供了一种可行性平台。王健研究组通过分子束外延（MBE）技术在钛酸锶衬底上成功制备出大尺度、高质量的单层FeTe0.5Se0.5高温超导薄膜，其超导转变温度，远高于块材Fe(Te,Se) (Tc≈14.5K)。利用原位低温（4.2K）扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）技术，研究组在薄膜表面发现了一种由最上层Te/Se原子缺失形成的一维原子链缺陷。在这种一维原子链缺陷两端，同时观测到了零能束缚态（图1），而在一维原子链缺陷的非端点处，依然是超导带隙的谱形。随着温度升高，零能束缚态的峰高逐渐降低，最终在远低于时消失（约20K）。
图1 一维长原子缺陷链两端的零能束缚态（约15个Te/Se原子长度）。a，一维长原子链缺陷的STM形貌图。b，零偏压电导成像图。c，一维原子链缺陷下端点和中间位置的扫描隧穿谱。d，沿一维原子链缺陷的扫描隧穿线谱（沿a中的红色箭头）。e，一维原子链缺陷下端的零能束缚态随温度的依赖关系。彩色曲线是实验得到的归一化隧穿谱。灰色曲线是由费米-狄拉克分布方程得到的高温卷积曲线。f，一维原子链缺陷下端的零能束缚态随隧穿势垒的依赖关系。
随着针尖逐渐逼近薄膜表面，即隧穿势垒电导变大，零能束缚态峰迅速升高且没有发生劈裂，展现出良好的抗干扰性。此外，研究组发现在较短的一维原子链缺陷两端的零能束缚态发生了一定程度的耦合（图2），其峰高随缺陷长度的依赖关系在统计中展现出正相关关系。
图2 一维短原子缺陷链两端的零能束缚态（约8个Te/Se原子长度）。a，一维短原子链缺陷的STM形貌图。b，零偏压电导成像图。c，一维原子链缺陷上端点和中间位置的扫描隧穿谱。d，沿一维原子链缺陷的扫描隧穿线谱（沿a中的红色箭头）。e，一维原子链缺陷上端的零能束缚态随温度的依赖关系。彩色曲线是实验得到的归一化隧穿谱。灰色曲线是由费米-狄拉克分布方程得到的高温卷积曲线。f，一维原子链缺陷上端的零能束缚态随隧穿势垒的依赖关系。
这些零能束缚态的谱学特性，如峰值高度与半高宽随温度的演化，消失的温度，针尖逼近隧穿谱与难劈裂的特性等，都与马约拉纳零能模的解释相符合，可以基本上排除Kondo效应、杂质缺陷束缚态或有节点的高温超导体中Andreev零能束缚态等其它可能性。波士顿学院的汪自强教授团队基于肖克利缺陷态的能带理论在超导体中的表现提出了可能的理论解释。在强自旋轨道耦合作用下，单层FeTe0.5Se0.5薄膜表面的一维原子链缺陷可以是衍生一维拓扑超导体，其端点处会产生受时间反演对称性保护的一对马约拉纳零能模。时间反演对称性破缺下也可产生一维原子链缺陷拓扑超导体，其两个端点各产生一个马约拉纳零能模。这一工作首次揭示了二维高温超导体FeTe0.5Se0.5单层薄膜中的一类拓扑线缺陷端点处的零能激发，具备单一材料、较高工作温度和零外加磁场等优势，为进一步实现可应用的拓扑量子比特提供了一种可能的方案。该工作于2020年3月9日在线发表于学术期刊《自然•物理》上。
北京大学王健教授是文章的通讯作者，北京大学博士生陈澄为文章第一作者。这一工作的理论合作者为波士顿学院汪自强教授团队。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、量子物质科学协同创新中心、中科院卓越创新中心、北京市自然科学基金和美国能源部基础能源科学基金的支持。
个人简介
图 | 王健
Jian Wang, Changjiang Distinguished Professor of China's Ministry of Education, received his bachelor's degree in Physics from Shandong University in 2001, and PhD degreein condensed matter physics from Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences in 2007. From 2006 to 2011, he worked as a Postdoc and Research Associate at Penn State University, USA. He became a tenure-track Associate Professor and established a research group at Peking University in 2010. In 2017, Jian Wang was promoted to Professor. He was selected to Changjiang Distinguished Professor of China's Ministry of Education in 2016 and Chief Scientist for National Key R&D Program of China in 2018. He won Sir Martin Wood China Prize in 2015. His current research interests are quantum transport properties of low dimensional superconductors and topological materials. Jian Wang with collaborators discovered log-periodic quantum oscillations in a solid state system, quantum Griffiths singularity in 2D superconductors, and tip-induced unconventional superconductivity in topological materials. Furthermore, as the leader Jian Wang also for the first time revealed interface-modulated Ising superconductivity, demonstrated high Tc in one unit cell thick FeSe films by direct transport and Meissner evidences, and detected eletron-electron interaction in topological materials. In recent years, he has authored more than 80 SCI papers including more than 60 corresponding author publications in Science, Science Advances, Nature Materials, Nature Physics, Nature Communications, PNAS, Physical Review X, Physical Review Letters, Nano Letters, Advanced Materials, and ACS nano etc. Jian Wang's lab at Peking University possesses ultralow temperature-high magnetic field measurement systems and low temperature scanning tunneling microcopy/ spectroscopy-molecular beam epitaxy combined ultrahigh vacuum system etc.
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