张浩研究组在马约拉纳纳米线体系中量子化零能电导的研究上取得科研进展
2022年10月15日
理论预言半导体纳米线同超导耦合后在特定的电场和磁场条件下可实现马约拉纳零能模，因此这类纳米线又被称为“马约拉纳纳米线”。马约拉纳零能模的一个主要实验证据是隧穿电导谱中量子化的零偏压电导峰。近年理论发展意识到一类特殊的拓扑平庸的安德列夫束缚态也能导致量子化的零偏压峰。其机制同马约拉纳类似：借助于平滑的隧穿势垒，该安德列夫束缚态可分解为两个空间有重叠的马约拉纳零能模，并只有一个马约拉纳贡献电导（故量子化），另一个马约拉纳和外界无耦合。因该安德列夫态可在量子化甚至非阿贝尔编织操作上模拟真实的马约拉纳，所以又被称为“准马约拉纳零能模”。
最近， 物理系张浩课题组同合作者在大幅提高InAs-Al纳米线材料和器件质量后，观测到量子化零偏压电导峰（见下图）。该电导峰在量子化附近（5%精度范围内）形成一个电导平台。这是首次观测到随三个实验参数变化（磁场和两个门电极）都可形成平台的“量子化岛”。实验结果同马约拉纳或准马约拉纳的预言吻合。该工作以”Plateau regions for zero-bias peaks within 5% of the quantized conductance value 2e2/h” 为题发表在Physical Review Letters上。第一作者为物理系研究生王照宇、张梓桐，北京量子信息科学研究院（“量子院”）助理研究员宋化鼎和中科院半导体所研究员潘东。通讯作者为张浩副教授、量子院宋化鼎助理研究员以及半导体所赵建华研究员。
(a)器件扫描电镜图。(b) 零偏压电导峰随磁场和门电压的变化，黑线为零偏压电导。(c) 零偏压电导峰随偏压和磁场的变化。
当隧穿势垒进一步降低，零偏压电导会继续维持在量子化附近，而高偏压电导则会超过量子化，形成量子化零偏压电导峰-电导谷的连续转变。这一转变是由于马约拉纳或准马约拉纳的自旋选择性质导致的。下图（a）为这一转变的示意图（非实验数据）。该图取自张浩和刘东副教授撰写的综述文献Nature Communications 10, 5128 (2019)。近期，张浩课题组和合作者在另一个InAs-Al纳米线器件中观察到由磁场诱导的零偏压电导峰-电导谷在量子化附近的转变（见下图b）。该工作以”Large zero bias peaks and dips in a four-terminal thin InAs-Al nanowire device”为题发表在 Physical Review Research 上。第一作者为物理系博士后（现量子院助理研究员）宋化鼎，研究生张梓桐和半导体所研究员潘东。通讯作者为张浩副教授，半导体所赵建华研究员和量子院尚汝南副研究员。
以上两个工作皆基于超细InAs-Al纳米线。该材料由半导体所赵建华-潘东团队生长，张浩课题组表征其硬超导近邻能隙和双电子库珀对库伦阻塞（见下图c）。该工作以”In situ epitaxy of pure phase ultra-thin InAs-Al nanowires for quantum devices” 为题发表在Chinese Physics Letters上。第一作者为半导体所潘东研究员，物理系博士后宋化鼎和张珊。通讯作者为半导体所赵建华研究员和张浩副教授。以上系列工作的合作者除团队成员外还有物理系的刘东副教授、何珂教授，量子院助理研究员曹霑和张谷等。
（a）马约拉纳器件示意图（上）和量子化电导峰-电导谷转变示意图（下）；（b）InAs-Al 器件图（上）和随磁场变化的电导谱（下）；（c）超细InAs-Al 纳米线的扫描电镜图、透射电镜图，硬超导能隙以及双电子库珀对库伦阻塞。
该系列工作得到了清华大学自主科研计划、国家自然科学基金委、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、中科院青促会以及阿里巴巴创新研究计划等的经费支持和帮助。
文章链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.167702