Dans les années récentes, le développement des ordinateurs quantiques au-delà de la capacité des ordinateurs classiques est devenu une nouvelle frontière dans la science et la technologie et une direction clé pour réaliser la suprématie quantique. Cependant, l'informatique quantique conventionnelle présente un sérieux défi en raison de l'effet de décohérence quantique et nécessite une quantité importante de correction d'erreur dans la mise à l'échelle des qubits quantiques. Par conséquent, l'exploration du calcul quantique tolérant aux pannes utilisant des états quantiques topologiquement protégés contre les perturbations environnementales locales est une entreprise importante à la fois fondamentale et technologique pour réaliser le calcul quantique à grande échelle.

Les états liés à énergie nulle de Majorana (ZEBS) dans les systèmes de matière condensée tels que les supraconducteurs sont des états quantiques si rares avec une protection topologique contre les perturbations locales. Ces modes zéro de Majorana (MZM) sont neutres en charge et obéissent à des statistiques d'échange non-abéliennes et servent de bloc de construction de qubits topologiques. Il est théoriquement prévu que les MZM existent dans le cœur du vortex des supraconducteurs topologiques à ondes p ou aux extrémités des supraconducteurs topologiques unidimensionnels (1-D). Être un ZEBS, l'une des principales caractéristiques du MZM est les pics de conductance différentielle pour l'effet tunnel à tension de polarisation nulle. Expérimentalement, les plates-formes Majorana actuelles sont les suivantes. L'un utilise un couplage de proximité d'isolant topologique tridimensionnel (3D) à un supraconducteur à onde s pour réaliser les états de surface topologiques supraconducteurs et détecter les états de vortex en appliquant un champ magnétique. L'autre utilise un couplage de proximité de nanofils à couplage spin-orbite 1D à un supraconducteur à onde s pour détecter les pics de conductance à polarisation nulle aux extrémités sous un champ magnétique externe. Cependant, la fabrication compliquée des structures hybrides, la température extrêmement basse et le champ magnétique appliqué requis pour l'observation présentent de grands défis pour l'application possible des MZM.

Récemment, Le groupe du professeur Wang Jian à l'Université de Pékin, en collaboration avec le groupe du professeur Wang Ziqiang au Boston College, a découvert des MZM aux deux extrémités des défauts de ligne atomique 1D dans des supraconducteurs bidimensionnels (2D) à haute température à base de fer et a fourni une plate-forme prometteuse pour détecter les excitations topologiques à énergie nulle à une température de fonctionnement plus élevée et sous zéro magnétique externe champ. Le groupe de Wang Jian a réussi à faire croître du FeTe sur une grande surface et d'une épaisseur de cellule de haute qualité 0,5 Se 0,5 films sur SrTiO 3 (001) substrats par épitaxie par jets moléculaires (MBE), qui montrent Tc (~62 K) beaucoup plus élevé que celui (~14,5 K) en vrac Fe(Te, Se). Par microscopie/spectroscopie à effet tunnel in situ à basse température (4,2 K) (STM/STS), les défauts de la ligne atomique 1-D formés par les atomes Te/Se manquants les plus élevés peuvent être clairement identifiés sur la monocouche FeTe 0,5 Se 0,5 cinéma. Les ZEBS sont détectés aux deux extrémités du défaut de la ligne atomique 1-D (Figure 1), tandis que les spectres d'effet tunnel au milieu du défaut de ligne retrouvent les états supraconducteurs complètement séparés. Au fur et à mesure que la température augmente, le ZEBS diminue en intensité, et finalement s'évanouit à une température (environ 20 K) bien inférieure à Tc. Le ZEBS ne se divise pas avec l'augmentation de la conductance de la barrière tunnel et devient plus net et plus haut à mesure que la pointe s'approche du film, montrant la propriété robuste. De plus, sur la chaîne de défauts la plus courte, le couplage entre les ZEBS aux deux extrémités conduit à des pics de conductance à polarisation nul réduits même dans la section médiane de la chaîne de défauts de la ligne atomique (figure 2). La corrélation positive entre la conductance à polarisation nulle et les longueurs de défaut de ligne peut être déduite des statistiques. Les propriétés spectroscopiques des ZEBS, incluant l'évolution de la hauteur et de la largeur du pic avec la température, la disparition de la température des ZEBS, les spectres d'effet tunnel dans le processus d'approche de pointe d'échantillon, ainsi que la propriété non divisée sont conformes à l'interprétation des MZM. D'autres possibilités comme l'effet Kondo, les états d'impureté conventionnels ou les états liés à énergie nulle d'Andreev dans les supraconducteurs nodaux à haute température peuvent être exclus en général.

Le groupe du professeur Wang Ziqiang au Boston College a proposé une explication théorique possible en étendant la théorie des bandes de l'état de surface de Shockley au cas des supraconducteurs. En raison du grand couplage spin-orbite, le défaut de raie atomique 1-D dans le FeTe monocouche 0,5 Se 0,5 le film peut devenir un supraconducteur topologique 1-D émergent et une paire de MZM de Kramers apparaissant aux extrémités du défaut de ligne protégé par une symétrie d'inversion du temps. Même sans symétrie d'inversion du temps le long du défaut de ligne, le supraconducteur topologique 1-D peut également être réalisé avec un seul MZM situé à chaque extrémité de la chaîne. Ce travail, pour la première fois, révèle une classe d'excitations topologiques à énergie nulle aux deux extrémités de défauts de raies atomiques 1D dans une monocouche supraconductrice à haute température en 2D FeTe 0,5 Se 0,5 cinéma, qui montrent les avantages d'être un seul matériau, température de fonctionnement plus élevée et champ magnétique externe nul, et peut offrir une nouvelle plate-forme pour de futures réalisations de qubits topologiques applicables.

Le document a été publié en ligne par Physique de la nature