铁基超导体中磁通涡旋纳米尺度精准操控的实现

　　理论学家指出在拓扑超导体中的磁通涡旋中心存在马约拉纳零能模，可以实现拓扑量子计算。对磁通涡旋中心马约拉纳零能模的编织操纵是实现拓扑量子计算的重要一步，但在实验上具有非常大的挑战性。目前，实验上确认磁通涡旋中心马约拉纳零能模主要依赖极低温扫描隧道显微镜的局域测量，受空间不均匀性影响，实现磁通涡旋纳米尺度的操控至关重要。然而，目前实验上已报道的利用局域磁力和局域热效应等磁通涡旋方式操纵精度都在百纳米到微米量级，且无法同时对磁通涡旋内的量子态进行原位表征。因此，探索纳米尺度精准操控的磁通涡旋操控方式是马约拉纳零能模研究的重要课题之一。

　　近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究团队致力于铁基超导上马约拉纳零能模的研究。该团队与丁洪研究员等合作利用该团队的超高真空-极低温-强磁场-扫描隧道显微镜，首次在铁基超导Fe(Te,Se)表面磁通涡旋上观测到马约拉纳零能模(Science 362, 333 (2018))，揭示了马约拉纳零能模存在的拓扑机理(Nat. Phys. 15, 1181 (2019))，观测到近量子化电导平台(Science 367, 189 (2020))，并在Fe(Te,Se)表面铁原子上实现马约拉纳零能模和Yu-Shiba-Rusinov电子态的可逆转变(Nat. Commun. 12, 1348 (2021))。除了Fe(Te,Se)之外，他们还在其它多种铁基超导体表面的磁通涡旋内观测到马约拉纳零能模 (Nat. Commun. 11, 5688 (2020), Nat. Commun. 12, 4146 (2021))，并在自然应力的LiFeAs单晶表面获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列 (Nature 606, 890 (2022))。

　　最近，高鸿钧研究团队对铁基超导体中磁通涡旋的操纵进行了深入研究。该团队的博士后范朋和陈辉副研究员等对FeTe0.55Se0.45进行低温解理，利用低温下应力较弱的耗散，在表面可控生成了纳米尺度的一维褶皱。由于褶皱上的应力对库伯对的压制，磁通涡旋可以被钉扎在褶皱上。通过扫描探针操控技术，他们实现了对褶皱的纳米尺度精准的裁剪和移动；由于褶皱对磁通涡旋的钉扎作用，进而实现了对磁通涡旋的精准操纵。随后，该团队的周兴泰同学等发现这种可控操纵方式可以扩展到另一种铁基超导体LiFeAs中。利用扫描隧道谱，他们在两种材料中的部分被褶皱钉扎的磁通涡旋内均观测到了零能峰。

　　该工作首次在铁基超导中实现了对磁通涡旋的纳米尺度精准操纵，能同时原位探测涡旋内量子态，并可推广到其他层状超导材料。基于这种技术，可以对磁通涡旋进行编织操纵，甚至人工构筑涡旋阵列，如蜂窝结构、笼目结构等，并研究操纵后涡旋量子态的相互作用。该研究工作对未来量子计算的应用具有重要价值。

　　该研究成果以“Nanoscale Manipulation of Wrinkle-Pinned Vortices in Iron-Based Superconductors”为题，在线发表在Nano Letters杂志上。范朋博士、陈辉副研究员和周兴泰同学为共同第一作者，高鸿钧为通讯作者。美国布鲁克海文实验室的Gu Genda教授提供了高质量FeTe0.55Se0.45单晶，物理所靳常青和望贤成提供了高质量LiFeAs单晶。该工作得到了国家自然科学基金 (61888102, 52022105)、科技部(2018YFA0305800, 2019YFA0308500, 2021ZD0302700)和中国科学院(XDB28000000, XDB30000000, YSBR-003, ZDBS-SSW-WHC001) 的支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00982


图1. 低温解理后在FeTe0.55Se0.45和LiFeAs表面观测到一维褶皱


图2. 褶皱中钉扎的一维磁通涡旋链


图3. 利用扫描探针对褶皱进行纳米尺度精准的可控裁剪和移动


图4. 通过操纵褶皱来控制磁通涡旋的移动