自从铁基超导体拓扑能带的发现以来,人们在包括Fe(Te0.55Se0.45),(Li0.84Fe0.16)OHFeSe,CaKFe4As4,以及杂质辅助的LiFeAs中均发现了马约拉纳零能模。然而这些材料体系存在着由于自掺杂带来的体态不均一、涡旋阵列无序且不可控以及拓扑涡旋占比低等问题,阻碍了其进一步的研究和应用。如何突破当前研究瓶颈,获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列,向拓扑量子计算更进一步,是当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。
最近,高鸿钧研究团队对铁基超导体LiFeAs进行了更加细致而深入的研究。他们在实验上发现,应力可以诱导出的大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。其主要发现有以下几点。1)晶体中的自然应力可诱导产生双轴电荷密度波(Biaxial CDW)条纹,沿着Fe-Fe和As-As晶格方向,其波长分别为λ1~2.7 nm和λ2~24.3 nm(图一)。2)波长为λ2的CDW对超导能隙具有明显的调制作用,当施加垂直于样品表面的磁场后,形成的磁通涡旋全部被钉扎在超导序较弱的As-As方向电荷密度波条纹上,形成有序的涡旋阵列(图二)。3)双轴电荷密度波的存在使得晶体对称性降低,从而改变了费米能级附近的拓扑能带结构,使得超过90%的磁通涡旋中心具有马约拉纳零能模,形成高度有序的马约拉纳零能模阵列(图三,图四)。4)这种有序的马约拉纳零能模阵列可被外磁场调控,随着磁场增加,涡旋间距减小,马约拉纳零能模间的相互作用开始凸显(图四)。
这些研究结果表明大面积有序可调的马约拉纳零能模阵列可以在LiFeAs中稳定存在,为实现拓扑量子计算提供了重要的高质量研究平台。相关成果以“Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally-strained LiFeAs”为题在2022年6月8日于Nature发表。该工作与美国波士顿学院的Ziqiang Wang教授和物理所靳常青研究员等进行了合作。物理所靳常青和望贤成提供了LiFeAs单晶。博士研究生李萌、副研究员李更和博士曹路为论文共同第一作者,高鸿钧和Ziqiang Wang为共同通讯作者。该工作得到科技部(2019YFA0308500, 2018YFA0305700, 2017YFA0206303)、国家自然科学基金(61888102, 51991340, 52072401)和中国科学院(XDB28000000, XDB30000000, 112111KYSB20160061, YSBR-003)的支持。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04744-8
图一:LiFeAs双轴CDW区域的表征。
图二:磁通涡旋中的马约拉纳零能模。
图三:马约拉纳零能模产生机理。
图四:用磁场调控大面积有序的马约拉纳零能模格点阵列。