拓扑超导体:难以捉摸的马约拉纳粒子的沃土

第一作者FLEET博士生Lina Sang在伍伦贡大学超导和电子材料研究所(ISEM)的实验室工作

  • 马约拉纳费米子承诺信息技术零阻力

一项新的多节点FLEET审查调查了铁基超导体中马约拉纳费米子的搜索。

难以捉摸的马约拉纳费米子，或“天使粒子”，由埃托雷·马约拉纳在1937年提出，同时表现为粒子和反粒子——令人惊讶的是，它保持稳定，而不是自我毁灭。

马约拉纳费米子承诺零阻力的信息和通信技术，解决现代电子产品不断增长的能源消耗(已经占全球电力消耗的8%)，并承诺为计算提供一个可持续的未来。

此外，拓扑超导体中马约拉纳零能模的存在使这些奇异的量子材料成为实现拓扑量子计算的主要候选材料。

马约拉纳费米子在凝聚态系统中的存在将有助于FLEET寻找未来的低能电子技术。

天使粒子:物质和反物质

电子、质子、中子、夸克和中微子(称为费米子)等基本粒子都有各自不同的反粒子。反粒子的质量与普通粒子相同，但电荷和磁矩相反。

传统的费米子和反费米子构成物质和反物质，并在结合时相互湮灭。

“马约拉纳费米子是这一规则的唯一例外，它是一种复合粒子，是它自己的反粒子，”通讯作者王晓林教授(UOW)说。

然而，尽管对马约拉纳粒子进行了大量的搜索，但几十年来，马约拉纳粒子存在的线索一直难以捉摸，因为两种相互冲突的性质(即正电荷和负电荷)使它呈中性，而且它与环境的相互作用非常弱。

拓扑超导体:天使粒子的沃土

扫描隧道显微镜(STM)图像:FeSe/STO的边缘，插入原子分辨率的STM显示了最顶层的硒原子排列和晶体方向

虽然马约拉纳粒子的存在尚未被发现，尽管在欧洲核子研究中心(CERN)等高能物理设施中进行了广泛的搜索，但它可能以单粒子激发的形式存在于带拓扑和超导共存的凝聚态系统中。

“在过去的二十年里，马约拉纳粒子在许多超导体异质结构中被报道，并被证明在量子计算应用中具有强大的潜力”，UOW的FLEET博士后Muhammad Nadeem博士说。

几年前，一种名为铁基拓扑超导体的新型材料被报道在不制造异质结构的情况下承载马约拉纳粒子，这对实际器件的应用具有重要意义。

“我们的文章回顾了这些材料的最新实验成果:如何获得拓扑超导体材料，拓扑态的实验观察，以及马约拉纳零模式的检测，”第一作者UOW博士候选人Lina Sang说。

在这些系统中，准粒子可能表现为一种特定类型的马约拉纳费米子，如“手性”马约拉纳费米子，它沿着一维路径移动，以及马约拉纳“零模式”，它在零维空间中保持有界。

马约拉纳零模式的应用

通讯作者ISEM主任王晓林教授(卧龙岗大学)

如果这种承载马约拉纳费米子的凝聚态系统在实验上是可获得的，并且可以用一种简单的技术来表征，它将有助于研究人员指导低能量技术的工程，这些技术的功能是通过利用马约拉纳费米子的独特物理特性来实现的，例如容错拓扑量子计算和超低能量电子。

在物质拓扑态、拓扑绝缘体和Weyl半金属中的马约拉纳费米子的托管将在本月的主要课程中涵盖半导体物理学国际会议(ICPS)，在澳大利亚悉尼举行。

IOP 2021量子材料路线图研究了基于本征自旋轨道耦合(SOC)的量子材料在基于马约拉纳模式的拓扑器件中的作用，在强SOC材料和超导体之间以及铁基超导体之间的边界处提供了证据。

这项研究

“物质”第五卷，第6期，2022年6月

铁基超导体中的马约拉纳零模出版于'事(第5卷，Iss. 6, 2022年6月1日，第1734-59页)。DOI 10.1016 / j.matt.2022.04.021

这项工作得到了澳大利亚研究理事会卓越中心、未来奖学金和发现项目，以及FLEET的联合研究卧龙岗大学，皇家墨尔本理工大学而且新南威尔士大学、悉尼节点，以及合作伙伴组织清华大学(中国)。

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合著者

埃罗尔·亨特新闻，新材料，合作伙伴，皇家墨尔本理工，新南威尔士大学，UOW