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(shù)在鈦酸鍶襯底上成功制備出大尺度、高質(zhì)量的單層FeTe0.5Se0.5高溫超導薄膜,其超導轉(zhuǎn)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(shù),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(guān)系在統(tǒng)計中展現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)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(zhì)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