【中國網】中科院物理所新發現為拓撲量子計算奠定基礎
2022-06-10
文章來源: 中國網

  中國網/中國發展門戶網訊 日前,中科院物理所高鴻鈞研究員帶領的聯合團隊在鐵基超導材料鋰鐵砷中觀測到大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列。馬約拉納零能模的陣列和相互作用可以被外磁場很好的調控。6月8日,高鴻鈞研究組與靳常青研究組、美國波士頓學院汪自強的合作文章在《自然》雜志上發表。此次發現對于實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算具有里程碑的意義。

  據介紹,“馬約拉納費米子”是一種神奇的基本粒子,它的反粒子是它自身,由意大利物理學家埃托雷?馬約拉納在1937年理論預言。然而在其后的80多年時間里,粒子物理學家們始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據。凝聚態物理領域的理論學家預言,在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的粒子,這種粒子被稱為“馬約拉納準粒子”,或是“馬約拉納零能?!?。馬約拉納零能模的統計規律表現為一種獨特的非阿貝爾統計規律。這種準粒子的編織操作被認為是實現容錯的拓撲量子計算的重要途徑。由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特可以從原理上解決量子計算無法避免的量子退相干問題。

  2018年,中科院物理所高鴻鈞研究團隊與丁洪研究團隊合作,利用其自主設計組裝的國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯合系統精確測量了鐵基超導體鐵碲硒單晶樣品的磁通渦旋,首次在鐵基超導材料中觀測到馬約拉納零能模。與之前的材料體系相比,鐵基超導體具有材料簡單和觀測溫度高等優勢,并且可以觀測到純凈的馬約拉納零能模。2020年,他們進一步通過連續可控的改變針尖與鐵碲硒單晶樣品之間的隧穿耦合強度,觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特征,給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據。然而,這些鐵基超導材料體系還是存在著材料組分不均一、磁通渦旋陣列無序且不可控以及馬約拉納零能模占比低等問題,阻礙了其進一步的研究和應用。

  如何突破當前研究瓶頸,獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列,向拓撲量子計算更進一步,是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。高鴻鈞研究團隊此次對鐵基超導體鋰鐵砷進行了細致而深入的研究。利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平臺和豐富的研究經驗在實驗上發現,應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列。

  此次研究主要發現有:

  晶體中的自然應力可誘導產生雙軸電荷密度波條紋,沿著鐵-鐵和砷-砷晶格方向,其波長分別為λ1~2.7 納米和λ2~24.3 納米。


鋰鐵砷雙軸電荷密度波區域的表征

  波長為λ2的電荷密度波對超導能隙具有明顯的調制作用,當施加垂直于樣品表面的磁場后,形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導序較弱的砷-砷方向電荷密度波條紋上,形成有序的渦旋陣列。


磁通渦旋中的馬約拉納零能模

  雙軸電荷密度波的存在使得晶體對稱性降低,從而改變了費米能級附近的拓撲能帶結構,使得超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模,形成高度有序的馬約拉納零能模陣列。


馬約拉納零能模產生機理

  此種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調控,隨著磁場增加,渦旋間距減小,馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯。


用磁場調控大面積有序的馬約拉納零能模陣列

  據悉,該項研究的重要意義在于首次實現了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列,并觀測到了調控引起的馬約拉納零能模相互作用,為下一步實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎。

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