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爱购彩首页:在元素超导体上人工构建的磁性原子链中定制Majorana束缚态

更新:2019-10-10 编辑:爱购彩首页 来源:爱购彩首页 热度:7987℃

在凝聚态物质系统中实现Majorana束缚态(MBS)是拓扑量子计算方法的关键挑战。作为一种有前景的平台,理论上预测常规超导体上的一维磁链在链端存在MBS。我们展示了一种设计模型型原子级系统的新方法,用于使用单原子操作技术研究MBS。我们在Re表面上人工构建的原子Fe链表现出自旋螺旋态,并且在零能量处的局部态密度的显着增强被强烈地定位在链端。此外,链端的零能量模式显示出随链长增加而变得稳定。基于从头算计算获得的参数的紧束缚模型计算证实系统处于拓扑阶段。我们的工作开辟了在原子级混合结构中设计MBS的新途径,作为容错拓扑量子计算的基础。

引言Majorana费米子(1)-颗粒是他们自己的反粒子-最近引起了新的兴趣在各个物理领域。在凝聚态物质系统中,Majorana束缚态(MBS)与非阿贝尔量子交换统计已被提出作为拓扑量子计算的关键要素(2-4)。实现MBS的最有前景的平台之一是一维(1D)螺旋自旋系统与传统的s波超导体(5-9)相邻耦合。在这样的表面受限系统中,可以通过局部探针技术直接研究MBS,例如扫描隧道显微镜/光谱(STM/STS)。先前报道的针对MBS的直接可视化和探测的实验已经集中在超导Pb衬底上的自组装磁链(10-15)。然而,这种自组装纳米线具有不可避免的限制,例如,缺乏对链结构和长度的控制,以及在退火过程中磁性吸附物和Pb基底之间的原子混合问题,这是形成1D链。磁性纳米线的不清晰的几何和电子结构可能导致模糊的解释,使它们不足以作为MBS(16-18)的真实模型系统。

在这里,我们展示了1D的原子控制制造使用基于STM的单原子操作方法在超导Re(0001)衬底上的Fe链(19)。各个Fe原子的精确定位,以及STS对费米能量周围的局部态密度(LDOS)的局部探测,使得建立受控长度的原子链成为可能,而没有任何关于几何和电子结构的模糊性。

结果

作为原子链的构建单元,我们首先探索了单个Fe原子的电子结构。图1显示了单个Fe原子(图1A)和Fe二聚体(图1B)的STM/STS数据,它们通过基于STM的单原子操作(材料和方法)定位到特定位点。通过识别所谓的Yu-Shiba-Rusinov(YSR)束缚态(20-22),可以将具有局部磁矩的Fe原子与非磁性吸附物区分开来,这反映了破碎的Cooper对的准粒子激发。超导表面。磁性Fe原子的YSR状态在图中显示的差分隧穿电导(dI/dV)光谱(23-25)中,在费米能量周围的Re(ΔRe=0.28meV)超导间隙内出现一对特征共振。.1C,它是系统LDOS的直接探测器。这对共振非常接近费米能级(〜±0.020meV),因此在实验温度(350mK或0.030meV)下,它们只能通过超导Nb尖端解析(图1C),但不能用由于热膨胀导致的非超导PtIr尖端(图1中的红色曲线,D和E)。

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