Plateau de conductance à polarisation nulle observé sur FeTe0.55Se0.45. (A) Un schéma de la méthode STM/S de couplage tunnel variable. Une carte de conductance à polarisation nulle sous 2,0 T est affichée sur une surface d'échantillon. Un spectre dI/dV mesuré au centre du coeur du vortex (Vs=-5 mV, Il =500 pA, Vmod =0,02 mV) est affiché dans l'encart en haut à droite, un pic de conductance de polarisation zéro (ZBCP) est observé. Lorsque le courant tunnel (It) est ajusté par la boucle de régulation STM, le couplage tunnel entre la pointe STM et le MZM peut être réglé en continu par la distance pointe-échantillon (d). Un couplage tunnel plus grand correspond à un d plus petit et à une conductance de barrière tunnel plus grande (GN =It/Vs, Vs est la tension de consigne). Le décalage Z peut être lu simultanément, qui indique le mouvement absolu dans la direction z de la pointe STM. (B) Un tracé d'intensité en ligne le long de la flèche blanche en pointillé dans l'encart, mesuré à partir du même vortex montré en (A), montrant un MZM stable à travers le noyau du vortex. (C) Une parcelle de chevauchement des spectres dI/dV sous différentes valeurs de couplage de tunnel paramétrées dans GN. La courbe bleue est mesurée sous le plus petit GN tandis que la courbe verte avec le plus grand GN. (D) Un tracé tridimensionnel de la mesure dépendante du couplage du tunnel, dI/dV(E, GN). Pour plus de clarté, seuls les points de données dans la plage d'énergie de [-5,0, 0,2] meV sont indiqués. (E) Un tracé d'échelle de couleurs de (C) dans la plage d'énergie de [-1,5, 1,5] meV qui étend les spectres en fonction de GN. Les informations de décalage z, qui a été prise simultanément par la STM, est également étiqueté sur l'axe supérieur. La distance maximale à laquelle la pointe s'est approchée est de 3,4 . (F) Une ligne horizontale coupée au biais zéro de (E). La courbe de conductance montre un comportement de plateau avec sa conductance de plateau (GP) égale à (0,64 ± 0,04) G0. (G) Coupes de ligne horizontales à des valeurs de biais élevées à partir de (E). L'absence de plateau de conductance sur ces courbes indique le comportement tunnel classique à l'énergie des états continus. Toutes les données sont mesurées à Teff =377 mK. Crédit: Science , doi:10.1126/science.aax0274
Lorsqu'un nanofil semi-conducteur est couplé à un supraconducteur, il peut être réglé sur des états quantiques topologiques censés héberger des quasiparticules localisées connues sous le nom de modes zéro de Majorana (MZM). Les MZM sont leurs propres antiparticules, avec des applications prometteuses en informatique quantique topologique. En raison de l'équivalence particule-antiparticule, Les MZM présentent une conductance quantifiée à basse température. Alors que de nombreuses propositions théoriques existent pour réaliser des MZM dans des systèmes à semi-conducteurs, leur réalisation expérimentale se heurte à des non-idéalités.
Dans un nouveau rapport en Science , Shiyu Zhu et une équipe de chercheurs interdisciplinaires en Chine et aux États-Unis ont utilisé la spectroscopie tunnel à balayage couplé à un tunnel variable pour étudier la conductance tunnel des états liés au vortex des supraconducteurs. Par exemple, les supraconducteurs ont un "écart" d'énergie en l'absence d'états électroniques - les électrons ne peuvent donc pas pénétrer par tunnel, alors qu'à une ligne de vortex, le champ magnétique fermera l'espace pour former des états électroniques. Les chercheurs ont rapporté des observations avec FeTe
Les Modes Zéro Majorana (MZM) obéissent à des statistiques non-abéliennes c'est-à-dire des excitations au-delà des modes d'excitation habituels fermioniques ou bosoniques, jouer un rôle extrêmement important dans le calcul quantique. Au cours des deux dernières décennies, les physiciens ont prédit les MZM dans les supraconducteurs à onde p et les matériaux couplés en spin-orbite (pour réaliser les propriétés d'un matériau absent de toute région constitutive de l'hétérostructure), par des supraconducteurs à ondes s. Les chercheurs ont observé des preuves expérimentales des MZM dans divers systèmes, notamment des nanofils semi-conducteurs-supraconducteurs, hétérostructures topologiques isolant-supraconducteur et chaînes atomiques sur substrats supraconducteurs. Les physiciens et les scientifiques des matériaux ont également récemment mis au point des supraconducteurs à base de fer en vrac entièrement séparés en tant que plate-forme monomatériau pour réaliser des MZM. Ensuite, ils ont trouvé des preuves de MZM dans les vortex topologiques à la surface de FeTe
La conductance d'un MZM peut présenter un plateau quantifié à des températures suffisamment basses à la valeur de 2e
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/h; où e est la charge électronique et h la constante de Planck. Cette conductance de Majorana quantifiée résulte de la parfaite réflexion d'Andreev résonante - un type de diffusion de particules qui se produit aux interfaces entre un supraconducteur et un matériau à l'état normal, garanti par la symétrie particule-trou inhérente du MZM. Les scientifiques avaient observé un plateau de conductance quantifié dans un système de nanofils InSb-Al, compatible avec l'existence des MZM. De la même manière, les supraconducteurs à base de fer avec des pics de conductance à polarisation nulle (ZBCP) obtenus à l'aide d'expériences STM/S présentent de grands écarts topologiques et offrent la possibilité d'observer la conductance quantifiée de Majorana, sans contamination par les états liés Caroli-de Gennes-Matricon (CBS) de basse altitude. Suite aux précédentes perspectives expérimentales, Zhu et al. utilise actuellement une méthode STM/S à couplage tunnel variable pour étudier la conductance de Majorana sur une large plage de distances pointe-échantillon dans les noyaux de vortex de FeTe
Réflexion d'Andreev par résonance induite par Majorana. (A) Un spectre dI/dV mesuré au centre d'un vortex topologique (Vs=-5mV, Il =140 nA, Vmod =0,02 mV), qui montre un MZM (flèche rouge) coexistant avec un CBS de haut niveau situé à ± 0,31 meV. (B) Une mesure dépendante du couplage du tunnel sur le vortex indiqué sur (A) à 2 T. Panneau supérieur :un tracé à l'échelle des couleurs, dI/dv. La position GN de (A) est indiquée par une flèche noire. Panneau central :évolution du couplage tunnel de la conductance CBS, qui ne montre aucun comportement de plateau. Panneau du bas :couplage tunnel évolution de la conductance aux énergies de 0 meV (cercles rouges, présentant un plateau) et 2 meV (triangles noirs augmentant de façon monotone). (C) Un spectre dl/dv mesuré au centre d'un vortex ordinaire (Vs=-5mV, Il =140 nA, Vmod =0,02 mV), qui montre clairement trois niveaux de CBS à ± 0,13 meV (flèches magenta et bleue), ±0,39 meV (flèches noires) et ±0,65 meV (flèche verte). (D) Similaire à (B) mais mesuré sur le vortex indiqué en (C). Panneaux du milieu et du bas :évolution du couplage tunnel de la conductance CBS, ne montrant aucune caractéristique de plateau. (E) Un spectre dI/dV mesuré à 0T (Vs=-5mV, Il =80 nA, Vmod =0,02 mV). Un trou supraconducteur dur peut être observé. (F) Similaire à (B) et (D), mais mesurée sous 0 T. Panneau central :évolution du couplage tunnel de la conductance à polarisation nulle (cas normal de jonction métal-supraconducteur). Panneau inférieur :évolution du couplage tunnel à l'énergie de gap ci-dessus (boîtier de jonction métal normal-métal normal). Il n'y a pas de comportement de plateau à 0 T. (G) Un schéma de tunnel résonant à travers un système de barrière symétrique. L'évolution de la fonction d'onde d'un électron tunnelisé est montrée. kt est la constante de pénétration. (H) La vue à double barrière de la réflexion résonnante d'Andreev induite par le MZM. Les couleurs bleu et rouge indiquent le processus des électrons et des trous, respectivement. L'équivalence des composants particule et trou dans MZM assure le même couplage tunnel sur la barrière électron et trou. (I) La vision à double barrière de la réflexion d'Andreev médiée par un CBS. Le mélange arbitraire des composants particule-trou dans CBS brise la condition de résonance. Toutes les données sont mesurées à 377 mK. Crédit: Science , doi:10.1126/science.aax0274
La température électronique effective du microscope à effet tunnel (STM) était de 377 mK et les chercheurs ont continuellement réglé le couplage du tunnel en modifiant la distance pointe-échantillon, qui est corrélée à la conductance tunnel-barrière. En appliquant un champ magnétique de 2 T (Tesla) perpendiculairement à la surface de l'échantillon, Zhu et al. observé un ZBCP pointu (pic de conductance de polarisation zéro) au cœur d'un vortex. Comme prévu pour un MZM isolé dans un vortex quantique limité, le ZBCP ne s'est pas dispersé ni divisé à travers le noyau du vortex. Ils ont effectué des mesures dépendantes du couplage tunnel sur le ZBCP observé, en ajoutant la pointe STM au centre d'un vortex topologique, enregistrer un ensemble de dI/dV des spectres correspondant à la densité électronique d'états à la position de la pointe, pour différentes distances pointe-échantillon. Ils ont observé que le ZBCP restait sous la forme d'un pic bien défini situé à une énergie nulle.
Pour examiner la symétrie particule-trou des MZM, ils ont comparé et contrasté le comportement de conductance des MZM à énergie zéro et des CBS à énergie finie (états liés Caroli-de Gennes-Matricon). Zhu et al. observé deux types distincts de tourbillons topologiques et ordinaires avec, ou sans MZM, qui différait par un décalage de niveau demi-entier des états liés du vortex. Ils ont effectué des mesures dépendantes du couplage tunnel sur un vortex topologique pour montrer un MZM et un premier niveau de CBS, à 0 meV et ±0,3 meV, ils ont également effectué des mesures sur un vortex ordinaire.
Lorsque l'équipe de recherche a répété les expériences dans un champ magnétique nul au même endroit, ils ont observé un dur, trou supraconducteur. Les scientifiques n'ont observé que la caractéristique de plateau de conductance dans le ZBCP, qui indiquait un comportement unique aux modes Majorana. Le comportement de plateau observé dans le travail a également fourni des preuves de la réflexion résonante Andreev induite par Majorana. Après, pendant l'effet tunnel d'électrons d'une électrode normale à travers une barrière dans un supraconducteur, l'équipe a observé le processus de réflexion Andreev convertir l'électron incident en un trou sortant dans la même électrode. Cela a abouti à un système à double barrière dans l'espace de Hilbert particule-trou (un espace vectoriel abstrait en mécanique quantique).
Dans le cas de la réflexion d'Andreev à travers un seul MZM, des amplitudes égales des composants particule/trou en raison de l'équivalence particule-antiparticule des MZM ont assuré un couplage tunnel identique, avec l'électron et le trou dans la même électrode (Γ
La variation de conductance du plateau de Majorana. (A) Un histogramme du Gp à partir de 31 ensembles de données qui sont mesurées avec le même instrument. On peut trouver un tri de la conductance plateau (Gp) dans l'ordre de grossissement croissant (Vs=-5mV, Vmod =0,02 mV). (B) Le tracé superposé de 38 spectres dI/dV sélectionnés à partir d'un vortex topologique qui a atteint un plateau de conductance quantifié (Vs =-5mV, Vmod =0,02 mV). (C) Un tracé à l'échelle des couleurs de (B) avec la plage d'énergie de [-2,5, 2,5] meV qui montre les spectres en fonction de GN. (D) Une ligne horizontale coupée au biais zéro de (C). La courbe de conductance montre que le plateau de conductance atteint G0. (E) Une série de mesures dépendantes du couplage tunnel sur le même MZM, avec quatre tensions de modulation de 0,02 mV, 0,05 mV, 0,10 mV et 0,20 mV. (F) L'intrigue de Gp en fonction de la tension de modulation des données indiquées en (E). (G) Relation entre le demi-maximum pleine onde de ZBCP et Gp, obtenu à partir de cinq MZM différents mesurés dans les mêmes conditions expérimentales, suggérant que l'effet d'équilibre des quasiparticules affecte la valeur du plateau. Les FWHM ont été extraites du spectre mesuré à une grande distance pointe-échantillon avec les mêmes paramètres expérimentaux (Vs=-5 mV, Il =500 pA, Vmod =0,02 mV). Crédit: Science , doi:10.1126/science.aax0274
Les scientifiques ont observé le comportement de plateau des ZBCP à plusieurs reprises dans de nombreux vortex topologiques sur 60 mesures. Pour comprendre les effets de l'élargissement instrumental sur les plateaux de conductance de Majorana, les scientifiques ont fait varier la tension de modulation (V
Réversibilité des mesures dépendantes du couplage tunnel. (A)-(B) Une carte dI/dV à zéro biais et la topographie STM correspondante mesurée avant les mesures dépendantes du couplage du tunnel. La carte et la topographie sont mesurées dans la même zone. Le champ magnétique est de 2,0 T. (C)-(D) Une carte dI/dV à polarisation nulle et la topographie STM correspondante mesurée après des mesures dépendantes du couplage tunnel. Le champ magnétique est de 2,0 T. Les paramètres de mesure sont les mêmes que ceux en (A-B) :biais de l'échantillon, Vs=–5 mV; courant tunnel, Il =500 pA. (E)-(F) Deux séquences répétées de mesures dépendantes du couplage tunnel à la même position spatiale, montrant une conductance moyenne plateau de 0,30 G0, respectivement. Les données indiquées en (F) sont enregistrées au cours d'un deuxième processus d'approche de la pointe après avoir terminé le premier. Crédit: Science , doi:10.1126/science.aax0274
De cette façon, l'observation d'un plateau de conductance à polarisation nulle dans un vortex bidimensionnel expérimental a approché la valeur de conductance quantifiée de 2e 2 /h. Dans ce travail, Shiyu Zhu et ses collègues ont fourni des preuves spectroscopiques résolues spatialement de la transmission d'électrons résonants induite par Majorana dans un supraconducteur en vrac. Les résultats font un pas de plus vers les applications des opérateurs de tressage pour décrire les enchevêtrements topologiques ou les portes quantiques universelles pour le calcul quantique topologique.
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