一个可拓展、可调控的马约拉纳平台

在凝聚态物理体系中,探寻马约拉纳(Majorana)零能模式是当前的研究热点之一。它遵循非阿贝尔统计,可以用来构建拓扑量子比特,从而实现拓扑量子计算。过去,在实验上实现马约拉纳零能模的主要方法是制造“纳米线-超导体”或者“拓扑绝缘体-超导体”的异质结。然而这些异质结的结构相当复杂,而且常规超导体的转变温度非常低,阻碍了对Majorana零能模的探测和操作。近年来,铁基高温超导体的拓扑性质引起了广泛关注,其中,二维单层Fe(Te,Se)体系具有更高的Tc(最高达40 K)和更好的可调控性,是探寻Majorana零能模的理想体系。

最近,美国宾夕法尼亚州立大学刘朝星教授,维尔茨堡大学吴贤新博士、Ronny Thomale教授,华中科技大学刘鑫教授合作提出,在单层Fe(Te,Se)超导体中,可利用外加平面内磁场实现高阶拓扑超导态,在角上实现Majorana零能模。进一步,通过门电压进行调控,又可以在边界化学势畴壁处和二维体内三联点中实现Majorana零能模。具体来说,在单层Fe(Te,Se)超导边界态中,增加磁场可以实现边界的拓扑相变。但是,在不同方向的磁场下,相变点是不同的。从磁场-化学势相图中可以看出,垂直于边界(BX)和平行于边界(BY)的拓扑转变点不同。这是因为二者的反带能带具有不同角动量,从而发生边界态的各向异性的磁耦合。

在均匀的面内磁场下,这样相互垂直(或者一定角度)的边界可以处于不同的拓扑态,于是在两个边界相遇的角上实现Majorana零能模,也就实现了高阶拓扑超导态。在这一设想中,只需要普通的s波超导配对,通过旋转磁场即可实现Majorana零能模的操作。因此,该研究不仅表明单层Fe(Te,Se)是一个具有可拓展性和可调节性的实现Majorana的平台,博尔哈-伊格莱西亚斯而且还提供了在实际体系中实现高阶拓扑超导的一个一般性的原则。

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