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物理系拓撲量子器件團隊取得科研進展(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2022-03-04

超導-半導體納米線作為實現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注。經過十年持續研究，當前科學爭論焦點在于如何在實驗上區分馬約拉納零模和安德列夫束縛態：兩者在輸運上皆可體現為零偏壓電導峰。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建了一種甄別安德列夫束縛態的新方法，有助于實現未來對馬約拉納零模的實驗驗證。

通過在傳統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等離子體，進而誘導“環境庫倫阻塞”。這種多體相互作用會影響電子在器件中的隧穿。之前，劉東曾理論預言 （Phys. Rev. Lett. 111, 207003 (2013)）強耗散電阻會使得安德列夫束縛態所導致的零偏壓電導峰在低溫下劈裂，而馬約拉納零偏壓電導峰將會繼續存在。最新的工作進一步量化了不同情況下的標度率（圖b），其核心思想是利用耗散電極引入的電子和環境玻色子的相互作用重整化效應，使得馬約拉納輸運信號和其它拓撲平庸態的輸運信號產生完全不同的標度行為和溫度電壓依賴關系。該理論工作以“Universal conductance scaling of Andreev reflections using a dissipative probe”為題發表在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，實驗上首次在InAs-Al半導體納米線旁制備出一個阻值為數千歐姆的耗散電阻（圖c），并觀察到在正常態下的冪律（power law），同環境庫倫阻塞的現象吻合。在超導狀態下，通過磁場和門電壓調控可將安德列夫束縛態調至零能，進而觀察到耗散電阻所誘導的環境庫倫阻塞在低溫下對零偏壓電導的抑制而導致峰的劈裂（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隨溫度變化的普世標度率。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在無耗散時輸運上體現為零偏壓電導峰（紅），有強耗散情況下零偏壓電導被抑制而劈裂。

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