Meseta de conductancia de polarización cero observada en FeTe0.55Se0.45. (A) Un esquema del método STM / S de acoplamiento de túnel variable. Se muestra un mapa de conductancia de polarización cero por debajo de 2.0 T en una superficie de muestra. Un espectro dI / dV medido en el centro del núcleo del vórtice (Vs =-5 mV, Es =500 pA, Vmod =0.02 mV) se muestra en el recuadro superior derecho, Se observa un pico agudo de conductancia de polarización cero (ZBCP). Cuando la corriente de tunelización (It) es ajustada por el bucle de regulación STM, el acoplamiento de túnel entre la punta del STM y el MZM se puede sintonizar continuamente por la distancia punta-muestra (d). El acoplamiento de túnel más grande corresponde a una d más pequeña y a una conductancia de barrera de túnel más grande (GN =It / Vs, Vs es el voltaje de punto de ajuste). El desplazamiento Z se puede leer simultáneamente, que indica el movimiento absoluto en la dirección z de la punta del STM. (B) Un gráfico de intensidad de corte de línea a lo largo de la flecha blanca discontinua en el recuadro, medido desde el mismo vórtice que se muestra en (A), mostrando un MZM estable a través del núcleo del vórtice. (C) Un gráfico superpuesto de espectros dI / dV bajo diferentes valores de acoplamiento de túnel parametrizados en GN. La curva azul se mide por debajo de la GN más pequeña, mientras que la curva verde con la GN más grande. (D) Un gráfico tridimensional de la medición dependiente del acoplamiento del túnel, dI / dV (E, GN). Para mayor claridad, solo los puntos de datos en el rango de energía de [-5.0, Se muestran 0,2] meV. (E) Una gráfica de escala de color de (C) dentro del rango de energía de [-1.5, 1,5] meV que expande los espectros en función de GN. La información de desplazamiento z, que fue tomada simultáneamente por STM, también está etiquetado en el eje superior. La distancia máxima a la que se acercó la punta es 3,4 Å. (F) Un corte de línea horizontal en el sesgo cero de (E). La curva de conductancia muestra un comportamiento de meseta con su conductancia de meseta (GP) igual a (0,64 ± 0,04) G0. (G) Cortes de línea horizontales a valores de alto sesgo de (E). La ausencia de una meseta de conductancia en estas curvas indica el comportamiento de túnel convencional a la energía de estados continuos. Todos los datos se miden a Teff =377 mK. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax0274
Cuando un nanoalambre semiconductor se acopla a un superconductor, se puede ajustar a estados cuánticos topológicos que se cree que albergan cuasipartículas localizadas conocidas como modos cero de Majorana (MZM). Los MZM son sus propias antipartículas, con aplicaciones prometedoras en computación cuántica topológica. Debido a la equivalencia partícula-antipartícula, Los MZM exhiben conductancia cuantificada a bajas temperaturas. Si bien existen muchas propuestas teóricas para realizar MZM en sistemas de estado sólido, su realización experimental se enfrenta a no idealidades.
En un nuevo informe en Ciencias , Shiyu Zhu y un equipo de investigadores interdisciplinarios en China y los EE. UU. Utilizaron espectroscopía de túnel de barrido acoplado a túnel variable para estudiar la conductancia de túnel de los estados de superconductores vinculados al vórtice. Por ejemplo, los superconductores tienen una "brecha" de energía en ausencia de estados de electrones, por lo que los electrones no pueden entrar en un túnel, mientras que en una línea de vórtice, el campo magnético cerrará el espacio para formar estados de electrones. Los investigadores informaron observaciones con FeTe 0,55 Se 0,45 superconductores, donde registraron mesetas de conductancia como una función del acoplamiento de túnel para estados ligados a vórtices de energía cero, con valores cercanos a, e incluso alcanzando, el valor de conductancia cuántica universal 2e 2 / h; donde e, es la carga del electrón y h es la constante de Planck. A diferencia de, no observaron mesetas en los estados ligados a vórtices de energía finita o dentro del continuo de estados electrónicos fuera de la brecha superconductora. Este comportamiento de conductancia en modo cero apoyó la existencia de MZM en FeTe 0,55 Se 0,45 cristales .
Los modos cero de Majorana (MZM) obedecen a estadísticas no abelianas, es decir, excitaciones más allá de los modos de excitación fermiónicos o bosónicos habituales, para jugar un papel extremadamente importante en la computación cuántica. En las últimas dos décadas, los físicos predijeron MZM dentro de superconductores de onda p y materiales acoplados a órbita de espín proximitizados (para darse cuenta de las propiedades de un material ausente de cualquier región constituyente de la heteroestructura), por superconductores de onda S. Los investigadores habían observado evidencia experimental de MZM en varios sistemas, incluidos nanocables semiconductores-superconductores, heteroestructuras topológicas aislantes-superconductores y cadenas atómicas sobre sustratos superconductores. Los físicos y científicos de materiales también han desarrollado recientemente superconductores a granel a base de hierro como una plataforma de un solo material para realizar MZM. Después, encontraron evidencia de MZM en vórtices topológicos en la superficie de FeTe 0,55 Se 0,45 cristales usando microscopía / espectroscopía de efecto túnel de barrido (STM / S).
La conductancia de un MZM puede exhibir una meseta cuantificada a temperaturas suficientemente bajas en el valor de 2e 2 / h; donde e es la carga del electrón y h la constante de Planck. Esta conductancia de Majorana cuantificada resulta de la reflexión de Andreev resonante perfecta, un tipo de dispersión de partículas que se produce en las interfaces entre un superconductor y un material en estado normal. garantizado por la simetría inherente entre partículas y orificios de MZM. Los científicos habían observado una meseta de conductancia cuantificada en un sistema de nanocables InSb-Al, coherente con la existencia de MZM. Similar, Los superconductores a base de hierro con picos de conductancia de polarización cero (ZBCP) obtenidos mediante experimentos STM / S tienen grandes brechas topológicas y ofrecen la posibilidad de observar la conductancia cuantificada de Majorana, sin contaminación de los estados de enlace Caroli-de Gennes-Matricon (CBS) bajos. Como resultado de las perspectivas experimentales anteriores, Zhu y col. actualmente empleó un método STM / S de acoplamiento de túnel variable para estudiar la conductancia de Majorana en un amplio rango de distancia punta-muestra en núcleos de vórtice de FeTe 0,55 Se 0,45 muestras de cristal.
Majorana indujo la resonancia de la reflexión de Andreev. (A) Un espectro dI / dV medido en el centro de un vórtice topológico (Vs =-5mV, Es =140 nA, Vmod =0,02 mV), que muestra un MZM (flecha roja) coexistiendo con un CBS de alto nivel ubicado a ± 0.31 meV. (B) Una medición dependiente del acoplamiento del túnel en el vórtice que se muestra en (A) en 2 T.Panel superior:un gráfico de escala de color, dI / dv. La posición GN de (A) está marcada con una flecha negra. Panel central:evolución del acoplamiento de túnel de la conductancia CBS, que no muestra un comportamiento de meseta. Panel inferior:evolución de la conductancia del acoplamiento de túnel a energías de 0 meV (círculos rojos, exhibiendo una meseta) y 2 meV (triángulos negros que aumentan monótonamente). (C) Un espectro dl / dv medido en el centro de un vórtice ordinario (Vs =-5mV, Es =140 nA, Vmod =0,02 mV), que muestra claramente tres niveles de CBS a ± 0,13 meV (flechas magenta y azul), ± 0,39 meV (flechas negras) y ± 0,65 meV (flecha verde). (D) Similar a (B) pero medido en el vórtice que se muestra en (C). Paneles intermedios e inferiores:evolución del acoplamiento de túnel de la conductancia CBS, no muestra ninguna característica de meseta. (E) Un espectro dI / dV medido a 0T (Vs =-5mV, Es =80 nA, Vmod =0,02 mV). Se puede ver una brecha superconductora dura. (F) Similar a (B) y (D), pero medido por debajo de 0 T. Panel central:evolución del acoplamiento de túnel de la conductancia de polarización cero (caso de unión normal de metal-superconductor). Panel inferior:evolución del acoplamiento del túnel en la energía del hueco anterior (caja de unión metal normal-metal normal). No hay un comportamiento de meseta a 0 T. (G) Un esquema de tunelización resonante a través de un sistema de barrera simétrico. Se muestra la evolución de la función de onda de un electrón tunelizado. kt es la constante de penetración. (H) La vista de doble barrera de la reflexión de Andreev resonante inducida por MZM. Los colores azul y rojo indican el proceso de electrones y huecos, respectivamente. La equivalencia de los componentes de partículas y huecos en MZM asegura el mismo acoplamiento de túnel en la barrera de electrones y huecos. (I) La visión de doble barrera de la reflexión de Andreev mediada por un CBS. La mezcla arbitraria de componentes de huecos de partículas en CBS rompe la condición de resonancia. Todos los datos se miden a 377 mK. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax0274
La temperatura efectiva de los electrones del microscopio de efecto túnel (STM) fue de 377 mK y los investigadores sintonizaron continuamente el acoplamiento del túnel cambiando la distancia punta-muestra. que se correlacionó con la conductancia de la barrera del túnel. Aplicando un campo magnético de 2 T (Tesla) perpendicular a la superficie de la muestra, Zhu y col. observó un agudo ZBCP (pico de conductancia de polarización cero) en un núcleo de vórtice. Como se esperaba para un MZM aislado en un vórtice cuántico limitado, el ZBCP no se dispersó ni se dividió a través del núcleo del vórtice. Realizaron mediciones dependientes del acoplamiento de túneles en la ZBCP observada, agregando la punta STM en el centro de un vórtice topológico, para grabar un conjunto de dI / dV espectros correspondientes a la densidad electrónica de estados en la posición de la punta, para diferentes distancias punta-muestra. Observaron que el ZBCP se mantuvo como un pico bien definido ubicado en energía cero.
Para examinar la simetría de huecos de partículas de los MZM, compararon y contrastaron el comportamiento de conductancia de los MZM de energía cero y los CBS de energía finita (estados ligados de Caroli-de Gennes-Matricon). Zhu y col. observó dos tipos distintos de vórtices topológicos y ordinarios con, o sin MZM, que se diferenciaba por un cambio de nivel medio entero de los estados ligados al vórtice. Realizaron mediciones dependientes del acoplamiento de túneles en un vórtice topológico para mostrar un MZM y el primer nivel de CBS, a 0 meV y ± 0,3 meV, también realizaron mediciones en un vórtice ordinario.
Cuando el equipo de investigación repitió los experimentos en campo magnético cero en el mismo lugar, observaron un duro, brecha superconductora. Los científicos solo observaron la característica de meseta de conductancia en ZBCP, que indicaba un comportamiento exclusivo de los modos Majorana. El comportamiento de meseta observado en el trabajo también proporcionó evidencia de la reflexión resonante de Andreev inducida por Majorana. Después de eso, durante el túnel de electrones desde un electrodo normal a través de una barrera hasta un superconductor, el equipo observó que el proceso de reflexión de Andreev convierte el electrón incidente en un agujero de salida dentro del mismo electrodo. Esto resultó en un sistema de doble barrera en el espacio de Hilbert con agujeros de partículas (un espacio vectorial abstracto en mecánica cuántica).
En el caso de la reflexión de Andreev a través de un solo MZM, amplitudes iguales de componentes de partículas / orificios debido a la equivalencia de partículas y antipartículas de los MZM aseguraron un acoplamiento de túnel idéntico, con el electrón y el agujero en el mismo electrodo (Γ mi =Γ h ). Como resultado, la reflexión resonante de Andreev mediada a través de un solo MZM condujo a un 2e 2 Meseta de conductancia de polarización cero cuantificada / h. A diferencia de, CBS de baja energía y otros estados de sub-gap triviales no contienen simetría de Majorana y la relación entre el electrón y el agujero se rompe en una reflexión de Andreev mediada por CBS, provocando la ausencia de una meseta de conductancia. Es más, cuando Zhu et al. eliminado el campo magnético en el sistema experimental, la meseta de conductancia de polarización cero observada en el núcleo del vórtice desapareció, por lo tanto, las observaciones no pueden atribuirse al transporte balístico cuántico.
La variación de la conductancia de la meseta de Majorana. (A) Un histograma de la Gp de 31 conjuntos de datos que se miden con el mismo instrumento. Se puede encontrar la clasificación de la conductancia de meseta (Gp) en el orden de aumento creciente (Vs =-5mV, Vmod =0,02 mV). (B) La gráfica superpuesta de 38 espectros dI / dV seleccionados de un vórtice topológico que alcanzó una meseta de conductancia cuantificada (Vs =-5mV, Vmod =0,02 mV). (C) Una gráfica de escala de color de (B) con el rango de energía de [-2.5, 2,5] meV que muestra los espectros en función de GN. (D) Un corte de línea horizontal en el sesgo cero de (C). La curva de conductancia muestra que la meseta de conductancia alcanza G0. (E) Una serie de mediciones dependientes del acoplamiento del túnel en el mismo MZM, con cuatro voltajes de modulación de 0,02 mV, 0,05 mV, 0,10 mV y 0,20 mV. (F) La gráfica de Gp en función del voltaje de modulación de los datos que se muestran en (E). (G) Relación entre la mitad del máximo de onda completa de ZBCP y Gp, obtenido de cinco MZM diferentes medidos en las mismas condiciones experimentales, sugiriendo que el efecto de equilibrio de las cuasipartículas afecta el valor de meseta. Los FWHM se extrajeron del espectro medido a una gran distancia punta-muestra con los mismos parámetros experimentales (Vs =-5 mV, Es =500 pA, Vmod =0,02 mV). Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax0274
Los científicos observaron el comportamiento de meseta de las ZBCP repetidamente en muchos vórtices topológicos en 60 mediciones. Para comprender los efectos del ensanchamiento instrumental en las mesetas de conductancia de Majorana, los científicos variaron el voltaje de modulación (V modificación ). Esto les permitió estudiar la V modificación -evolución de las mesetas de conductancia de Majorana en un vórtice topológico dado. Zhu y col. luego probó la reversibilidad del proceso variando el acoplamiento de túnel en STM. Descubrieron que tanto la topografía como la meseta de conductancia podían reproducirse después de dos secuencias repetidas para indicar la ausencia de daño irreversible de la punta y la muestra durante las mediciones. El equipo de investigación requiere más esfuerzos teóricos para obtener una comprensión completa de los experimentos, ya que no excluyeron otros mecanismos relacionados con mesetas de conductancia de polarización cero.
Reversibilidad de las medidas dependientes del acoplamiento de túneles. (A) - (B) Un mapa dI / dV de polarización cero y la topografía STM correspondiente medida antes de las mediciones dependientes del acoplamiento del túnel. El mapa y la topografía se miden en la misma zona. El campo magnético es 2.0 T. (C) - (D) Un mapa dI / dV de polarización cero y la topografía STM correspondiente medida después de las mediciones dependientes del acoplamiento del túnel. El campo magnético es 2.0 T. Los parámetros de medición son los mismos que los de (A-B):polarización de la muestra, Vs =–5 mV; corriente de tunelización, Es =500 pA. (E) - (F) Dos secuencias repetidas de mediciones dependientes del acoplamiento de túneles en la misma posición espacial, mostrando una conductancia meseta promedio de 0.30 G0, respectivamente. Los datos que se muestran en (F) se registran durante un segundo proceso de aproximación a la punta después de terminar el primero. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax0274
De este modo, la observación de una meseta de conductancia de polarización cero en un vórtice bidimensional experimental se acercó al valor de conductancia cuantificado de 2e 2 / h. En este trabajo, Shiyu Zhu y sus colegas proporcionaron evidencia espectroscópica resuelta espacialmente para la transmisión de electrones resonantes inducida por Majorana en un superconductor masivo. Los resultados dan un paso más hacia las aplicaciones de los operadores de trenzado para describir entrelazamientos topológicos o puertas cuánticas universales para el cálculo cuántico topológico.
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