物理系拓撲量子器件團隊取得科研進展(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2022-03-04

超導(dǎo)-半導(dǎo)體納米線作為實現(xiàn)馬約拉納零能模和拓撲量子計算的一個潛在體系受到廣泛關(guān)注。經(jīng)過十年持續(xù)研究，當(dāng)前科學(xué)爭論焦點在于如何在實驗上區(qū)分馬約拉納零模和安德列夫束縛態(tài)：兩者在輸運上皆可體現(xiàn)為零偏壓電導(dǎo)峰。最近，物理系拓撲量子器件理論和實驗課題組以及合作者構(gòu)建了一種甄別安德列夫束縛態(tài)的新方法，有助于實現(xiàn)未來對馬約拉納零模的實驗驗證。

通過在傳統(tǒng)納米線器件旁引入一個耗散電阻（圖a），器件中的隧穿電子會在耗散電阻中激發(fā)等離子體，進而誘導(dǎo)“環(huán)境庫倫阻塞”。這種多體相互作用會影響電子在器件中的隧穿。之前，劉東曾理論預(yù)言 （Phys. Rev. Lett. 111, 207003 (2013)）強耗散電阻會使得安德列夫束縛態(tài)所導(dǎo)致的零偏壓電導(dǎo)峰在低溫下劈裂，而馬約拉納零偏壓電導(dǎo)峰將會繼續(xù)存在。最新的工作進一步量化了不同情況下的標(biāo)度率（圖b），其核心思想是利用耗散電極引入的電子和環(huán)境玻色子的相互作用重整化效應(yīng)，使得馬約拉納輸運信號和其它拓撲平庸態(tài)的輸運信號產(chǎn)生完全不同的標(biāo)度行為和溫度電壓依賴關(guān)系。該理論工作以“Universal conductance scaling of Andreev reflections using a dissipative probe”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。文章第一作者是物理系博士后劉東浩以及北京量子信息科學(xué)研究院（簡稱“量子院”）助理研究員張谷。合作者包括量子院曹霑助理研究員和物理系張浩副教授。通訊作者為物理系劉東副教授。

受理論啟發(fā)，實驗上首次在InAs-Al半導(dǎo)體納米線旁制備出一個阻值為數(shù)千歐姆的耗散電阻（圖c），并觀察到在正常態(tài)下的冪律（power law），同環(huán)境庫倫阻塞的現(xiàn)象吻合。在超導(dǎo)狀態(tài)下，通過磁場和門電壓調(diào)控可將安德列夫束縛態(tài)調(diào)至零能，進而觀察到耗散電阻所誘導(dǎo)的環(huán)境庫倫阻塞在低溫下對零偏壓電導(dǎo)的抑制而導(dǎo)致峰的劈裂（圖d）。該實驗工作以“Suppressing Andreev bound state zero bias peaks using a strongly dissipative lead”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。文章第一作者是物理系博士后張珊、中科院物理所研究生王志川以及中科院半導(dǎo)體所副研究員潘東。合作者包括物理系研究生路帥，本科生李杭哲、李宗霖，博士后劉東浩，量子院助理研究員張谷、曹霑和副研究員尚汝南，中科院半導(dǎo)體所研究生劉磊、文煉均、廖敦淵和卓然。文章通訊作者為物理系張浩副教授、中科院半導(dǎo)體所趙建華研究員以及物理系劉東副教授。

a,包含耗散電阻的器件理論示意圖。b,四種情況下器件電導(dǎo)隨溫度變化的普世標(biāo)度率。c,包含耗散（上）和不含耗散（下）的器件掃描電鏡圖。d,零能安德列夫束縛態(tài)在無耗散時輸運上體現(xiàn)為零偏壓電導(dǎo)峰（紅），有強耗散情況下零偏壓電導(dǎo)被抑制而劈裂。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金委，清華大學(xué)自主科研計劃，清華大學(xué)低維量子物理國家重點實驗室，量子信息前沿科學(xué)中心以及阿里巴巴創(chuàng)新研究計劃的經(jīng)費支持和幫助。