文章亮點

首次在極細的InAs納米線上原位外延生長出超導鋁薄膜，并觀察到硬超導能隙和雙電子庫侖阻塞等現(xiàn)象。通過調(diào)節(jié)納米線的直徑，為未來研究馬約拉納零能模打開了一個新的實驗維度。

圖1. 純相超細InAs–Al納米線的微結(jié)構(gòu)及輸運性質(zhì)。上圖（從左至右）：InAs–Al納米線結(jié)構(gòu)示意圖、高階環(huán)形暗場透射電鏡圖像、EDS成分面掃圖及高分辨透射電鏡圖像。下圖（從左至右）：在InAs–Al納米線隧穿量子器件中觀察到硬超導能隙和由安德列夫束縛態(tài)誘導的零偏壓電導峰，在InAs–Al納米線庫侖島器件中實現(xiàn)雙電子周期的庫侖阻塞以及庫侖阻塞峰從雙電子到單電子的磁場演變。

用于拓撲量子器件的純相超細InAs–Al納米線原位分子束外延

研究背景

半導體–超導復合納米線有望實現(xiàn)馬約拉納零能模和拓撲量子計算。理論上，半導體納米線可看作具有強自旋軌道耦合的一維電子系統(tǒng)，而超導通過近鄰效應(yīng)提供配對勢。在特定的電場和磁場情況下，該系統(tǒng)在數(shù)學上等價于Kitaev Chain模型，并在納米線的兩端產(chǎn)生兩個馬約拉納零能模。在過去十年中，這一領(lǐng)域的深入研究主要聚焦于如何獲得更干凈平整的半導體–超導界面，從而得到高質(zhì)量的超導近鄰效應(yīng)，輸運上體現(xiàn)為硬超導近鄰能隙，納米線直徑大部分維持在100納米左右。這個直徑導致半導體內(nèi)多個一維的子能帶被占據(jù)，致使Kiteav Chain物理圖像更加復雜。而直徑更細的納米線會帶來更大的子能帶間距以及更少的占據(jù)數(shù)，甚至有望達到單一子能帶占據(jù)的極限。

內(nèi)容簡介

最近，中國科學院半導體研究所趙建華、潘東團隊生長出超細的InAs–Al納米線，其中InAs納米線直徑最細可達20納米以下。細納米線的另一優(yōu)勢反映在晶體質(zhì)量上，該團隊前期的實驗結(jié)果表明直徑低于約48納米的InAs線為純相單晶，而超出此直徑范圍的納米線在結(jié)構(gòu)上往往體現(xiàn)為纖鋅礦和閃鋅礦兩相交替，并伴隨有大量層錯和孿晶缺陷，從而成為拓撲量子器件中雜質(zhì)的一個重要來源。在量子器件制備和輸運測量方面，該團隊與清華大學物理系張浩課題組合作，在基于純相的細InAs–Al納米線中展示了硬超導近鄰能隙和雙電子庫侖阻塞等實現(xiàn)拓撲量子計算的必要前提條件。此外，觀察到的安德列夫束縛態(tài)誘導的零偏壓電導峰也為下一步納米線的生長和器件的優(yōu)化提供了有益的反饋。

研究意義和重要性

該實驗工作首次在材料生長上（輔以輸運表征）探索了馬約拉納納米線研究的一個新的實驗維度——更細的納米線直徑，為接下來實現(xiàn)單一子能帶占據(jù)（從準一維到一維）的納米線系統(tǒng)做了鋪墊。最近，上述聯(lián)合團隊在優(yōu)化后的純相超細InAs–Al納米線中觀察到了準量子化電導平臺，特別是首次觀察到接近量子化的零偏壓電導谷到零偏壓電導峰的轉(zhuǎn)變[arXiv:2107.08282]。此外，還依據(jù)清華大學物理系劉東等人的理論預言，制備出基于純相超細InAs–Al納米線的馬約拉納量子耗散器件，有效地過濾掉由缺陷引發(fā)的平庸安德烈夫束縛態(tài)。該器件結(jié)構(gòu)有助于更高效地尋找馬約拉納零能模的相關(guān)信號[Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 076803]。

CPL Express Letters欄目簡介

為了保證重要研究成果的首發(fā)權(quán)和顯示度，CPL于2012年6月開設(shè)了Express Letters欄目。此欄目發(fā)表速度快，學術(shù)質(zhì)量高。截至2020年底，平均每篇被引用約20次，已經(jīng)在國內(nèi)物理學界建立起良好口碑與聲望，來稿數(shù)量不斷增加。

原文標題：用于拓撲量子器件的純相超細InAs–Al納米線原位分子束外延

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審核編輯：湯梓紅