实验室在PbTe-Pb马约拉纳纳米线体系中取得实验进展
2023年8月08日
半导体-超导复合纳米线是实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算的主要材料体系之一。该领域过去十多年基于InAs和InSb纳米线的探索现在面临杂质的挑战。为解决这一困境，近些年物理系拓扑量子器件团队提出和开辟了PbTe半导体纳米线这一新材料体系。并完成了初步的理论探索(PRB 105, 085424 (2022))、材料生长 (PRMaterials 6, 034205 (2022)) 和相位相干的输运表征 (PRB 105, L241112 (2022))。最近，该团队进一步优化生长工艺，提高了器件质量，并实现了PbTe纳米线中的超导近邻效应和非零磁场下的弹道输运。
图a是一个PbTe-Pb纳米线Josephson结器件，超导Pb的外延生长确保了原子级平整的超导-半导体界面（图b）。图c展示了器件的超导电流区域（白色）以及其随栅极电压的变化。在栅极电压更负时，Josephson结进入隧穿区域，超导电流被抑制，器件的微分电导谱可反映其近邻超导能隙。图d展示了这一硬超导能隙及其随电压和磁场的变化。该工作以 “Proximity effect in PbTe-Pb hybrid nanowire Josephson junctions”为题发表在 Physical Review Materials上。
图e展示了一个PbTe纳米线（场效应管）器件。在6 T的垂直磁场下，该器件电导随栅极电压的调控呈现出量子化的平台（图f和g），揭示了一维的弹道输运。该工作以“Conductance quantization in PbTe nanwires”为题发表在 Physical Review B上。
以上两篇工作所展示的超导近邻效应和一维弹道输运均是实现马约拉纳零能模的前提条件。工作的第一作者和共同第一作者均为物理系的研究生：张梓桐，宋文玉，高益淳和王禹灏。通讯作者为物理系的何珂教授和张浩副教授。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，北京市科委，合肥国家实验室以及科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目的资助。
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