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一維原子鏈缺陷兩端零能束縛態(tài)的發(fā)現(xiàn)

在二維鐵基高溫超導體中的一維原子缺陷鏈兩端發(fā)現(xiàn)馬約拉納零能模，為實現(xiàn)較高溫度下、無外加磁場的拓撲零能激發(fā)態(tài)提供了一種可行性平臺。王健研究組通過分子束外延（MBE）技術在鈦酸鍶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(fā)現(xiàn)了一種由最上層Te/Se原子缺失形成的一維原子鏈缺陷。在這種一維原子鏈缺陷兩端，同時觀測到了零能束縛態(tài)（圖1），而在一維原子鏈缺陷的非端點處，依然是超導帶隙的譜形。隨著溫度升高，零能束縛態(tài)的峰高逐漸降低，最終在遠低于T_c時消失（約20 K）。隨著針尖逐漸逼近薄膜表面，即隧穿勢壘電導變大，零能束縛態(tài)峰迅速升高且沒有發(fā)生劈裂，展現(xiàn)出良好的抗干擾性。此外，研究組發(fā)現(xiàn)在較短的一維原子鏈缺陷兩端的零能束縛態(tài)發(fā)生了一定程度的耦合（圖2），其峰高隨缺陷長度的依賴關系在統(tǒng)計中展現(xiàn)出正相關關系。這些零能束縛態(tài)的譜學特性，如峰值高度與半高寬隨溫度的演化，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、雜質缺陷束縛態(tài)或有節(jié)點的高溫超導體中Andreev零能束縛態(tài)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態(tài)的能帶理論在超導體中的表現(xiàn)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鏈缺陷可以是衍生一維拓撲超導體，其端點處會產(chǎn)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產(chǎn)生一維原子鏈缺陷拓撲超導體，其兩個端點各產(chǎn)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(fā)，具備單一材料、較高工作溫度和零外加磁場等優(yōu)勢，為進一步實現(xiàn)可應用的拓撲量子比特提供了一種可能的方案。

北京大學 2021-04-11

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