作者:刘朝星等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/6/25 17:04:32
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一个可拓展、可调控的马约拉纳平台

基于单层Fe(Te,Se)实现马约拉纳态的示意图

在凝聚态物理体系中,探寻马约拉纳(Majorana)零能模式是当前的研究热点之一。它遵循非阿贝尔统计,可以用来构建拓扑量子比特,从而实现拓扑量子计算。过去,在实验上实现马约拉纳零能模的主要方法是制造“纳米线-超导体”或者“拓扑绝缘体-超导体”的异质结。然而这些异质结的结构相当复杂,而且常规超导体的转变温度非常低,阻碍了对Majorana零能模的探测和操作。近年来,铁基高温超导体的拓扑性质引起了广泛关注,其中,二维单层Fe(Te,Se)体系具有更高的Tc(最高达40 K)和更好的可调控性,是探寻Majorana零能模的理想体系。

最近,美国宾夕法尼亚州立大学刘朝星教授,维尔茨堡大学吴贤新博士、Ronny Thomale教授,华中科技大学刘鑫教授合作提出,在单层Fe(Te,Se)超导体中,可利用外加平面内磁场实现高阶拓扑超导态,在角上实现Majorana零能模。进一步,通过门电压进行调控,又可以在边界化学势畴壁处和二维体内三联点中实现Majorana零能模。具体来说,在单层Fe(Te,Se)超导边界态中,增加磁场可以实现边界的拓扑相变。但是,在不同方向的磁场下,相变点是不同的。从磁场-化学势相图中可以看出,垂直于边界(BX)和平行于边界(BY)的拓扑转变点不同。这是因为二者的反带能带具有不同角动量,从而发生边界态的各向异性的磁耦合。

在均匀的面内磁场下,这样相互垂直(或者一定角度)的边界可以处于不同的拓扑态,于是在两个边界相遇的角上实现Majorana零能模,也就实现了高阶拓扑超导态。在这一设想中,只需要普通的s波超导配对,通过旋转磁场即可实现Majorana零能模的操作。因此,该研究不仅表明单层Fe(Te,Se)是一个具有可拓展性和可调节性的实现Majorana的平台,而且还提供了在实际体系中实现高阶拓扑超导的一个一般性的原则。

本研究得到了Office of Naval Research (Grant No.N00014-18-1-2793)和Kaufman New Initiative research grant of the Pittsburgh 基金资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab087

 
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