《自然.物理》報道量子材料科學中心王健教授及合作者的最新成果：一維原子鍊缺陷兩端零能束縛态的發現

近年來，研制超越經典計算機運算能力的量子計算機，已成為國際科技領域的前沿焦點和各國實現量子超越的核心方向。然而量子計算面臨的最大問題是因退相幹效應的存在，量子比特的運算需要更多比特數來糾錯。因此，探索可容錯的量子計算，也即對環境細節不敏感的拓撲量子計算，就成為最終實現規模化量子計算的重要途徑。凝聚态物質中的馬約拉納準粒子，其零能束縛态特征之一為在零偏壓下出現微分電導峰，被稱為馬約拉納零能模。因其受拓撲簡并保護，滿足非阿貝爾統計，具備抗局域幹擾和高容錯的特性，被認為是實現拓撲量子比特的基礎。馬約拉納零能模被理論預言存在于p波拓撲超導體的磁通渦旋中心或一維拓撲超導的端點處。探測作為量子态非貝爾激發的馬約拉納零能模是具有基礎意義的重要挑戰。實驗上，當前主流的方法是通過s波超導體和三維拓撲絕緣體之間的近鄰效應實現超導拓撲表面态，再對其中的磁通渦旋态進行觀測；或是通過一維強自旋軌道耦合的半導體納米線與s波超導體接觸，外加磁場下，在線端觀測零壓電導峰。然而，構造這類異質結構需要複雜的制造工藝，進行觀測需要極低溫和外加磁場，這些條件都給馬約拉納零能模可能的應用帶來了極大的困難和挑戰。

近日，beat365官方网站量子材料科學中心王健教授研究組與波士頓學院汪自強教授等合作在二維鐵基高溫超導體中的一維原子缺陷鍊兩端發現馬約拉納零能模，為實現較高溫度下、無外加磁場的拓撲零能激發态提供了一種可行性平台。王健研究組通過分子束外延（MBE）技術在钛酸锶襯底上成功制備出大尺度、高質量的單層FeTe0.5Se0.5高溫超導薄膜，其超導轉變溫度T_c≈62 K，遠高于塊材Fe(Te,Se) (T_c≈14.5 K)。利用原位低溫（4.2 K）掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）技術，研究組在薄膜表面發現了一種由最上層Te/Se原子缺失形成的一維原子鍊缺陷。在這種一維原子鍊缺陷兩端，同時觀測到了零能束縛态（圖1），而在一維原子鍊缺陷的非端點處，依然是超導帶隙的譜形。随着溫度升高，零能束縛态的峰高逐漸降低，最終在遠低于T_c時消失（約20 K）。随着針尖逐漸逼近薄膜表面，即隧穿勢壘電導變大，零能束縛态峰迅速升高且沒有發生劈裂，展現出良好的抗幹擾性。此外，研究組發現在較短的一維原子鍊缺陷兩端的零能束縛态發生了一定程度的耦合（圖2），其峰高随缺陷長度的依賴關系在統計中展現出正相關關系。這些零能束縛态的譜學特性，如峰值高度與半高寬随溫度的演化，消失的溫度，針尖逼近隧穿譜與難劈裂的特性等，都與馬約拉納零能模的解釋相符合，可以基本上排除Kondo效應、雜質缺陷束縛态或有節點的高溫超導體中Andreev零能束縛态等其它可能性。波士頓學院的汪自強教授團隊基于肖克利缺陷态的能帶理論在超導體中的表現提出了可能的理論解釋。在強自旋軌道耦合作用下，單層FeTe0.5Se0.5薄膜表面的一維原子鍊缺陷可以是衍生一維拓撲超導體，其端點處會産生受時間反演對稱性保護的一對馬約拉納零能模。時間反演對稱性破缺下也可産生一維原子鍊缺陷拓撲超導體，其兩個端點各産生一個馬約拉納零能模。這一工作首次揭示了二維高溫超導體FeTe0.5Se0.5單層薄膜中的一類拓撲線缺陷端點處的零能激發，具備單一材料、較高工作溫度和零外加磁場等優勢，為進一步實現可應用的拓撲量子比特提供了一種可能的方案。

該工作于2020年3月9日在線發表于學術期刊《自然.物理》上 (DOI: 10.1038/s41567-020-0813-0)。論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41567-020-0813-0。beat365王健教授是文章的通訊作者，beat365博士生陳澄為文章第一作者。這一工作的理論合作者為波士頓學院汪自強教授團隊。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心、北京市自然科學基金和美國能源部基礎能源科學基金的支持。