Negli ultimi anni, lo sviluppo di computer quantistici oltre la capacità dei computer classici è diventata una nuova frontiera nella scienza e nella tecnologia e una direzione chiave per realizzare la supremazia quantistica. Però, il calcolo quantistico convenzionale ha una seria sfida a causa dell'effetto di decoerenza quantistica e richiede una quantità significativa di correzione degli errori nel ridimensionamento dei qubit quantistici. Perciò, l'esplorazione del calcolo quantistico tollerante ai guasti utilizzando stati quantistici topologicamente protetti contro le perturbazioni ambientali locali è uno sforzo importante sia di valore fondamentale che di significato tecnologico per la realizzazione di calcolo quantistico su larga scala.

Gli stati legati a energia zero di Majorana (ZEBS) nei sistemi di materia condensata come i superconduttori sono stati quantistici così rari con protezione topologica contro le perturbazioni locali. Queste cosiddette modalità zero di Majorana (MZM) sono neutre e obbediscono a statistiche di scambio non abeliane e fungono da elemento costitutivo dei qubit topologici. Si prevede teoricamente che gli MZM esistano nel nucleo del vortice dei superconduttori topologici a onda p o alle estremità dei superconduttori topologici unidimensionali (1-D). Essendo uno ZEBS, una delle caratteristiche principali dell'MZM sono i picchi di conduttanza differenziale per il tunneling a tensione di polarizzazione zero. Sperimentalmente, le attuali piattaforme Majorana includono quanto segue. Uno sta usando un isolante topologico tridimensionale (3-D) che si accoppia con un superconduttore a onda s per realizzare gli stati di superficie topologici superconduttori e rilevare gli stati di vortice applicando un campo magnetico. L'altro utilizza un accoppiamento di prossimità di nanofili con accoppiamento spin-orbita 1-D a un superconduttore a onda s per rilevare picchi di conduttanza a polarizzazione zero alle estremità sotto un campo magnetico esterno. Però, la complicata fabbricazione delle strutture ibride, la temperatura estremamente bassa e il campo magnetico applicato richiesto per l'osservazione presentano grandi sfide alla possibile applicazione degli MZM.

Recentemente, Il gruppo del professor Wang Jian all'Università di Pechino, in collaborazione con il gruppo del Professor Wang Ziqiang al Boston College, ha scoperto MZM ad entrambe le estremità dei difetti della linea atomica 1-D in superconduttori ad alta temperatura a base di ferro bidimensionali (2-D) e ha fornito una piattaforma promettente per rilevare eccitazioni topologiche a energia zero a una temperatura operativa più elevata e sotto zero magnetico esterno campo. Il gruppo di Wang Jian è cresciuto con successo FeTe . su un'area di grandi dimensioni e di alta qualità _0,5 Vedi _0,5 film su SrTiO ₃ (001) substrati mediante tecnica di epitassia a fascio molecolare (MBE), che mostrano Tc (~62 K) molto più alto di quello (~14,5 K) alla rinfusa Fe(Te, Se). Mediante microscopia/spettroscopia a scansione a effetto tunnel a bassa temperatura (4,2 K) in situ (STM/STS), i difetti della linea atomica 1-D formati dagli atomi di Te/Se più alti mancanti possono essere chiaramente identificati sul monostrato FeTe _0,5 Vedi _0,5 film. Gli ZEBS vengono rilevati ad entrambe le estremità del difetto della linea atomica 1-D (Figura 1), mentre gli spettri tunnel nel mezzo del difetto di linea ritornano agli stati superconduttori completamente gappati. All'aumentare della temperatura, le ZEBS si riducono di intensità, e infine svanisce ad una temperatura (circa 20 K) molto al di sotto di Tc. Lo ZEBS non si divide con l'aumento della conduttanza della barriera di tunneling e diventa più nitido e più alto man mano che la punta si avvicina al film, mostrando la proprietà robusta. Inoltre, sulla catena del difetto più corta, l'accoppiamento tra gli ZEBS ad entrambe le estremità porta a picchi di conduttanza a polarizzazione zero ridotti anche nella sezione centrale della catena di difetti della linea atomica (Figura 2). La correlazione positiva tra la conduttanza a polarizzazione zero e le lunghezze dei difetti di linea può essere dedotta dalle statistiche. Le proprietà spettroscopiche degli ZEBS, compresa l'evoluzione dell'altezza e della larghezza del picco con la temperatura, la scomparsa della temperatura di ZEBS, gli spettri di tunneling nel processo di avvicinamento alla punta del campione, così come la proprietà unsplit risultano coerenti con l'interpretazione MZMs. Altre possibilità come effetto Kondo, gli stati di impurità convenzionali o gli stati legati ad energia zero di Andreev nei superconduttori nodali ad alta temperatura possono essere esclusi in generale.

Il gruppo del professor Wang Ziqiang al Boston College ha proposto una possibile spiegazione teorica estendendo la teoria delle bande dello stato superficiale di Shockley al caso dei superconduttori. A causa del grande accoppiamento spin-orbita, il difetto della linea atomica 1-D nel FeTe . monostrato _0,5 Vedi _0,5 il film può diventare un superconduttore topologico 1-D emergente e una coppia di MZM Kramers che appare alle estremità del difetto di linea protetto da simmetria di inversione temporale. Anche senza simmetria di inversione temporale lungo il difetto di linea, il superconduttore topologico 1-D può essere realizzato anche con un singolo MZM posto a ciascuna estremità della catena. Questo lavoro, per la prima volta, rivela una classe di eccitazioni topologiche a energia zero ad entrambe le estremità dei difetti della linea atomica 1-D in FeTe monostrato superconduttore ad alta temperatura 2-D _0,5 Vedi _0,5 film, che mostrano i vantaggi di essere un unico materiale, temperatura di esercizio più elevata e campo magnetico esterno nullo, e può offrire una nuova piattaforma per future realizzazioni di qubit topologici applicabili.

Il documento è stato pubblicato online da Fisica della natura