实验室拓扑量子器件团队取得科研进展
Feb 19 2022
超导-半导体纳米线作为实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算的一个潜在体系受到广泛关注。经过十年持续研究，当前科学争论焦点在于如何在实验上区分马约拉纳零模和安德列夫束缚态：两者在输运上皆可体现为零偏压电导峰。最近，物理系拓扑量子器件理论和实验课题组以及合作者构建了一种甄别安德列夫束缚态的新方法，有助于实现未来对马约拉纳零模的实验验证。
通过在传统纳米线器件旁引入一个耗散电阻（图a），器件中的隧穿电子会在耗散电阻中激发等离子体，进而诱导“环境库伦阻塞”。这种多体相互作用会影响电子在器件中的隧穿。之前，刘东曾理论预言 （Phys. Rev. Lett. 111, 207003 (2013)）强耗散电阻会使得安德列夫束缚态所导致的零偏压电导峰在低温下劈裂，而马约拉纳零偏压电导峰将会继续存在。最新的工作进一步量化了不同情况下的标度率（图b），其核心思想是利用耗散电极引入的电子和环境玻色子的相互作用重整化效应，使得马约拉纳输运信号和其它拓扑平庸态的输运信号产生完全不同的标度行为和温度电压依赖关系。该理论工作以“Universal conductance scaling of Andreev reflections using a dissipative probe”为题发表在Physical Review Letters上。文章第一作者是物理系博士后刘东浩以及北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）助理研究员张谷。合作者包括量子院曹霑助理研究员和物理系张浩副教授。通讯作者为物理系刘东副教授。
受理论启发，实验上首次在InAs-Al半导体纳米线旁制备出一个阻值为数千欧姆的耗散电阻（图c），并观察到在正常态下的幂律（power law），同环境库伦阻塞的现象吻合。在超导状态下，通过磁场和门电压调控可将安德列夫束缚态调至零能，进而观察到耗散电阻所诱导的环境库伦阻塞在低温下对零偏压电导的抑制而导致峰的劈裂（图d）。该实验工作以“Suppressing Andreev bound state zero bias peaks using a strongly dissipative lead”为题发表在Physical Review Letters上。文章第一作者是物理系博士后张珊、中科院物理所研究生王志川以及中科院半导体所副研究员潘东。合作者包括物理系研究生路帅，本科生李杭哲、李宗霖，博士后刘东浩，量子院助理研究员张谷、曹霑和副研究员尚汝南，中科院半导体所研究生刘磊、文炼均、廖敦渊和卓然。文章通讯作者为物理系张浩副教授、中科院半导体所赵建华研究员以及物理系刘东副教授。
a,包含耗散电阻的器件理论示意图。b,四种情况下器件电导随温度变化的普世标度率。c,包含耗散（上）和不含耗散（下）的器件扫描电镜图。d,零能安德列夫束缚态在无耗散时输运上体现为零偏压电导峰（红），有强耗散情况下零偏压电导被抑制而劈裂。
该工作得到了国家自然科学基金委，清华大学自主科研计划，清华大学低维量子物理国家重点实验室，量子信息前沿科学中心以及阿里巴巴创新研究计划的经费支持和帮助。
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