实验室探索新马约拉纳纳米线材料体系取得科研进展
2022年3月24日
马约拉纳零能模因其所蕴含的非阿贝尔统计新物理和拓扑量子计算的应用前景而吸引了广泛的兴趣以及持续不断的研究热潮。半导体-超导复合纳米线作为研究马约拉纳零能模最深入的实验体系，经过十多年发展取得了长足的进步但也遇到巨大挑战。该领域目前所面临的瓶颈是如何进一步大幅减少纳米线器件中的杂质与无序。而InAs和InSb半导体纳米线器件经过十年的生长和加工工艺的优化，在进一步提升其性能降低无序上面临着很大挑战。最近，物理系拓扑量子器件实验和理论团队与合作者探索了有望实现马约拉纳零能模的一种新的半导体纳米线系统，PbTe，有可能从根本上解决无序这一马约拉纳纳米线研究的瓶颈。
PbTe是具有很强自旋轨道耦合和很大g因子的窄带半导体，是构建马约拉纳纳米线的理想半导体材料，其显著特点是巨大的介电常数，比InAs和InSb高近两个数量级（图a）。鉴于拓扑量子器件中的无序主要来源于杂质电荷等所造成电势的不均匀分布，这种巨大的介电常数可以有效屏蔽电无序。理论计算基于图b所示的器件模型模拟了在同样的电荷杂质下，PbTe的无序程度比InAs和InSb下降了至少30倍（图c）。除半导体材料外，理论进一步探索了用Pb取代Al作为超导材料的优势：和目前的主流超导材料Al（InAs-Al, InSb-Al）相比，Pb具有更大（近十倍）的超导能隙和更强的临界磁场，能够对马约拉纳零能模提供更强的拓扑保护。此外，理论模拟研究了PbTe-Pb这一半导体-超导复合纳米线的各方面性能，并预言了打破谷简并实现马约拉纳零能模的具体条件（图d）。该理论工作以“Numericalstudy of PbTe-Pb hybrid nanowires for engineering Majorana zero modes”为题发表在Physical Review B上，第一作者为北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）曹霑助理研究员，合作者为北京计算科学研究中心何万秀博士和华中科技大学刘鑫教授，通讯作者为物理系刘东副教授、何珂教授和张浩副教授。
和理论同步，实验上经过两年多探索初步发展出PbTe-Pb复合纳米线平面量子器件的分子束直接生长技术。图e展示了结合选区外延和投影墙生长的方法利用分子束外延直接制备PbTe-Pb纳米线平面器件的流程示意图。图f展示了一个完整器件的扫描电镜图。相比于InAs和InSb的选区外延生长，PbTe体系一个显著优势是通过选取CdTe这一衬底材料，可以实现纳米线和衬底近乎完美的晶格匹配和极少的互扩散（图g），从而大大降低器件中的无序。所获得的PbTe纳米线的迁移率水平已和最好的InAs纳米线相当。该实验工作所获得的高质量平面PbTe-Pb复合纳米线器件的可规模化分子束外延制备方法为拓扑量子计算器件和线路的构建奠定了基础，文章以“Selective area epitaxy of PbTe-Pb hybrid nanowires on a lattice-matched substrate”为题发表在Physical Review Materials上。第一作者为物理系研究生姜钰莹、宋文玉、苗文韬以及量子院博士后杨帅和助理研究员李琳。合作者为物理系研究生耿祖汗、高益淳、陈芳婷，本科生李睿东，冯硝助理教授，刘东副教授，薛其坤教授，量子院助理研究员曹霑、高级工程师仝冰冰、博士后朱科静、副研究员臧运祎和尚汝南，中科院物理所张庆华副研究员，博士后孟繁琦和谷林研究员。通讯作者为物理系张浩副教授和何珂教授。
a, InAs, InSb和PbTe参数表。b,PbTe-Pb器件示意图。c,杂质所诱导的纳米线横截面电势分布图（左边 InAs/InSb,右边PbTe）。d,数值模拟在隧穿电导谱中揭示马约拉纳零能模。e,选区外延投影生长PbTe-Pb纳米线器件流程示意图。f,一个PbTe-Pb器件电镜图。g,器件横截面以及PbTe-CdTe界面的TEM图。
该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、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和北京市科委的经费支持和帮助。
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