有序可调的马约拉纳零能模晶格 | 前沿快讯No.26
快讯
有序可调的马约拉纳零能模晶格
光学微波动力学电感探测器
实现铜基超导体连续电子掺杂
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测量耦合离子中束缚电子g因子差异
马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计，被认为是构造拓扑量子比特的组成部分。对马约拉纳激发态的长期探索由最近在材料平台上的实验进展而推动，其中局部的马约拉纳零能模已经被观察到。在这些平台中，铁基超导体被认为有希望观察清洁和稳定的马约拉纳零能模。FeTe0.55Se0.45是第一个被发现具有拓扑表面态的铁基超导体，由于具有较大的Δ^2/EF比值(Δ为超导能隙，EF为费米能量)，能够在拓扑涡旋的中心观察到一个孤立的马约拉纳零能模，在微分电导中表现为几乎量子化的平台。随后，在化学计量整数比的CaKFe4As4和LiFeAs中验证了马约拉纳零能模的存在。最近，在具有拓扑能带结构的层状二维超导体中观察到了一维色散马约拉纳模和马约拉纳零能模。然而，这些平台存在合金诱导无序、不受控制的涡旋晶格和低产量的拓扑涡旋等问题，阻碍了其潜在的应用。
本文作者中国科学院物理研究所Meng Li等采用扫描隧道显微镜发现了自然应变的LiFeAs中的有序可调马约拉纳零能模晶格的形成。在应变区域观察到沿铁-铁和砷-砷方向的双轴电荷密度波条纹。涡旋被钉扎在砷-砷方向的CDW条纹上，形成一个有序的晶格，发现超过90%的涡旋是拓扑的，在涡旋中心具有孤立马约拉纳零能模的特性，形成一个密度和几何形状在外场下可调的有序马约拉纳零能模晶格。值得注意的是，随着邻近涡旋间距的减小，马约拉纳零能模开始互相耦合。其研究实现了可调有序马约拉纳零能模晶格，为未来拓扑量子计算平台提供了途径。
相关研究成果以Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally strained LiFeAs为题，发表在《自然》 Nature 606, 890-895 (2022)上。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04744-8
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光学微波动力学电感探测器无膜声子的捕获和分辨率的提高
为了直接对系外行星进行成像并对其大气进行光谱表征，对400纳米到2.5μm波长范围内的光敏感的探测器是至关重要的。超导传感器是这一应用的重要候选者，因为低的能隙允许单个光子的检测。与半导体相比，超导传感器在计数光子时基本没有噪声。这一特性有助于克服从系外行星接收到的光水平极低的挑战。此外，在这个光子波长范围内，有几个重要的光谱特征与可居住性和生命有关，决定了所需的探测器性能。在积分场光谱仪中应用所建议的分辨率为100。然而，对于地球大气不受干扰的天基仪器，低至25的分辨率可以识别出像水这样的大分子吸收带。几种超导探测器技术已经被提出用于在这些波长下的成像，比如过渡边缘传感器和超导隧道结。然而，对于一个系外行星积分场摄谱仪，需要数万到数百万像素来覆盖预期的视野，这在低温器件环境中带来了重大的接线挑战。微波动力学电感探测器可以自然地解决这一问题，并实现相当的光谱分辨率。微波动力电感探测器对紫外和近红外光敏感，是一种超导微谐振器，能够测量光子到达时间到微秒精度，并估计每个光子的能量。尽管系统噪声有了显著改善，但无膜微波动力学电感探测器的分辨率在1μm时仍顽固地保持在10左右。
本文作者加州大学圣巴巴拉分校物理系Nicholas Zobrist等发现通过一个简单的双层设计，可以将分辨率大致提高一倍，同时不需要将设备放置在膜上，避免了制造复杂性的显著增加。基于声子传播的模拟，发现大部分的改进来自于高能声子由于缺乏可用的声子态不能进入附加层。
相关研究成果以Membraneless Phonon Trapping and Resolution Enhancement in Optical Microwave Kinetic Inductance Detectors为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 129, 017701 (2022)上。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.017701
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采用氢化钙退火法实现连续电子掺杂
高温铜基超导体的母体化合物通常是反铁磁性的莫特绝缘体，一般具有具有半填充的电子占据。通过引入外来的电子或空穴，可以实现具有两个驼峰相图的超导体。然而，研究人员在早期的研究发现电子和空穴掺杂具有非对称现象。这种不对称现象引发的谜团至今仍未得到解决。它是否拉源于本征的与电子掺杂和空穴掺杂之间的基本差异，还是与由电子或空穴电荷引起的不同的相干强度有关，抑或是取决与电子掺杂和空穴掺杂的铜基超导体之间的结构差异。为了解决这个谜团，我们希望有一种可以同时被电子和空穴掺杂的铜酸盐材料，从而消除结构差异的影响。但不幸的是，只有很少的系统可以被空穴或电子掺杂。Bi2Sr2CaCu2O8+d是一种典型的空穴掺杂铜基超导体，其掺杂主要取决于其氧含量。传统的掺杂方法可以在空穴掺杂范围内调节其掺杂水平。据此，此前发展了臭氧-真空退火方法对空穴掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+d和电子掺杂的La2-xCexCuO4的表层进行原位大范围掺杂，但仍然无法实现另一侧的掺杂。
本文作者中国科学院物理研究所赵金，甘渝林和杨光等报道了氢化钙退火法在调节Bi2Sr2CaCu2O8+d掺杂水平中的首次应用。通过连续控制退火时间，可以得到一系列不同掺杂的样品。结合X射线衍射、扫描透射电子显微镜、电阻和霍尔测量的实验结果，表明氢化钙诱导的拓扑化学反应可以在很大的范围内有效地改变Bi2Sr2CaCu2O8+d的氧含量，甚至实现从空穴掺杂向电子掺杂的转变。同时还在电子掺杂侧发现了低转变温度超导相的证据。
相关研究成果以Continuously Doping Bi2Sr2CaCu2O8+d into Electron-Doped Superconductor by CaH2 Annealing Method为题，作为Express Letter发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 077403 (2022)上。
原文链接：
http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/7/077403#1
编译：不言
排版：不言
美编：农民
责编：理趣
编者按
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