半导体所等在高质量半导体-超导纳米线研究方面取得系列进展

来源:中科院半导体所发布时间:2022-10-18449浏览

在实现量子计算的多种方案中，基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算有望从物理原理层面解决量子退相干问题，受到广泛关注。理论预言，具有强自旋轨道耦合的窄禁带半导体InAs和InSb纳米线与超导体耦合，可以实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算。然而，由于窄禁带半导体纳米线与常规超导体之间晶格失配很大，高质量样品的制备一直是制约半导体-超导纳米线拓扑量子计算研究的关键难题。中科院半导体所赵建华、潘东团队长期致力于用于拓扑量子计算的高质量半导体-超导纳米线分子束外延可控制备研究。他们首先在Si衬底上外延出了高质量纯相超细单晶InAs纳米线（D.Pan et al. Nano Lett. 14, 2014, 1214），之后，通过对分子束外延设备进行多次升级改造，发展了低温原位外延技术，在纯相超细InAs纳米线侧壁成功外延出超导金属Al。InAs和Al均具有高晶体质量，InAs-Al界面达到原子级平整（图1高分辨透射电镜图像）。该团队与清华大学物理系张浩课题组合作，在该InAs–Al纳米线中观察到硬超导能隙和双电子库仑阻塞等现象，这些都是实现拓扑量子计算的必要前提条件。该工作以“In situ epitaxy of pure phase ultra-thin InAs-Alnanowires for quantum devices”为题发表在Chin.Phys. Lett. (Express Letters)39 (2022) 058101上，半导体所潘东研究员、清华大学物理系宋化鼎和张珊博士后为共同第一作者，半导体所赵建华研究员和清华大学张浩副教授为共同通讯作者。该实验工作首次在材料生长上（辅以输运表征）探索了马约拉纳纳米线研究中的一个新的实验维度：更细的纳米线直径，为接下来实现单一子能带占据（从准一维到一维）的纳米线系统做了铺垫。2022年5月27日英国物理学会PhysicsWorld杂志以“Ultrathinnanowires could be a boon for error-resistant quantum computing”为题对该进展进行了报道，详见如下：https://physicsworld.com/a/ultrathin-nanowires-could-be-a-boon-for-error-resistant-quantum-computing/

图1. 纯相超细InAs–Al纳米线的微结构及输运性质。上图（从左至右）：InAs–Al纳米线结构示意图、高阶环形暗场透射电镜图像、EDS成分面扫图及高分辨透射电镜图像。下图（从左至右）：在InAs–Al纳米线隧穿量子器件中观察到硬超导能隙和由安德列夫束缚态诱导的零偏压电导峰，在InAs–Al纳米线库仑岛器件中实现双电子周期的库仑阻塞以及库仑阻塞峰从双电子到单电子的磁场演变。

马约拉纳零能模的一个主要实验证据是隧穿电导谱中量子化的零偏压电导峰。近年理论发展意识到一类特殊的拓扑平庸的安德列夫束缚态，也能导致量子化的零偏压峰。其机制同马约拉纳类似：借助于平滑的隧穿势垒，该安德列夫束缚态可分解为两个空间有重叠的马约拉纳零能模，并只有一个马约拉纳贡献电导（故量子化），另一个马约拉纳和外界无耦合。因该安德列夫态可在量子化甚至非阿贝尔编织操作上模拟真实的马约拉纳，又称为“准马约拉纳零能模”。最近，在大幅提高InAs-Al纳米线材料和器件质量后，该团队与张浩课题组合作观测到量子化零偏压电导峰（图2）。该电导峰在量子化附近（5%精度范围内）形成一个电导平台。这是首次观测到随三个实验参数变化（磁场和两个门电极）都可形成平台的“量子化岛”。实验结果同马约拉纳或准马约拉纳的预言吻合。2022年10月14日，该工作以“Plateauregions for zero-bias peaks within 5% of the quantized conductance value 2e2/h”为题发表在Phys. Rev. Lett. 129 (2022) 167702上，清华大学物理系研究生王照宇、张梓桐，北京量子院助理研究员宋化鼎和半导体所研究员潘东为共同第一作者，清华大学张浩副教授、量子院宋化鼎助理研究员以及半导体所赵建华研究员为共同通讯作者。

图2.(a)器件扫描电镜图。(b)零偏压电导峰随磁场和门电压的变化，黑线为零偏压电导。(c)零偏压电导峰随偏压和磁场的变化。

当隧穿势垒进一步降低，零偏压电导会继续维持在量子化附近，而高偏压电导则会超过量子化，形成量子化零偏压电导峰-电导谷的连续转变。这一转变是由于马约拉纳或准马约拉纳的自旋选择性质所导致。近期，该联合团队在另一个InAs-Al纳米线器件中观察到由磁场诱导的零偏压电导峰-电导谷在量子化附近的转变（图3）。该工作以“Large zero bias peaks and dips in a four-terminalthin InAs-Al nanowire device”为题发表在 Phys.Rev. Research 4 (2022)033235上，清华大学物理系博士后宋化鼎、研究生张梓桐和半导体所研究员潘东为共同第一作者，清华大学张浩副教授、半导体所赵建华研究员和量子院尚汝南副研究员为共同通讯作者。

图3.（a）马约拉纳器件示意图（上）和量子化电导峰-电导谷转变示意图（下）。（b）InAs-Al器件图（上）和随磁场变化的电导谱（下）。

此外，当前超导-半导体纳米线马约拉纳零能模的一个研究焦点是如何在实验上区分马约拉纳零模和安德列夫束缚态：两者在输运上皆可体现为零偏压电导峰。依据清华大学物理系刘东等人的理论预言，上述联合团队制备出了基于InAs–Al纳米线的马约拉纳量子耗散器件（图4），有效地过滤掉由缺陷引发的平庸安德烈夫束缚态。该器件结构有助于更高效地寻找马约拉纳零能模的相关信号。该工作以“SuppressingAndreev bound state zero bias peaks using a strongly dissipative lead”为题发表在Phys.Rev. Lett. 128 (2022) 076803上，清华大学物理系博士后张珊、中科院物理所研究生王志川以及半导体所研究员潘东为共同第一作者，清华大学张浩副教授、半导体所赵建华研究员以及清华大学物理系刘东副教授为共同通讯作者。