[論文レビュー] Observation of pristine Majorana bound state in iron-based superconductor

Dongfei Wang, Lingyuan Kong+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スキャントンネル顕微鏡を用いて、鉄系超伝導体FeTe1−xSe (x = 0.45) のストリングルコアにおいて、初の明確な純粋なマヨラナ束縁状態 (MBS) の観測を報告している。高い超伝導ギャップ対フェルミエネルギー比により、非トポロジカルな束縁状態が抑制され、ゼロエネルギーのMBSが分離され、トポロジカルな量子計算に向けた安定的で、より高い温度でのプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

The search for Majorana bound state (MBS) has recently emerged as one of most active research areas in condensed matter physics, due to its non-Abelian statistics which can be used for robust quantum computation. A highly sought-after platform for MBS is two-dimensional topological superconductors, where MBS is predicted to exist as a zero-energy mode in the core of a vortex. A clear observation of MBS, however, is often hindered by the presence of additional low-energy bound states inside the vortex core. By using scanning tunneling microscope on the newly discovered superconducting topological surface state of iron-based superconductor FeTe1-xSex (x = 0.45, Tc = 14.5 K), we unequivocally observe a pristine MBS inside a vortex core, well separated from non-topological bound states which are pushed away from zero energy due to the high ratio between the superconducting gap and the Fermi energy in this material. This observation offers a new, robust platform for realizing and manipulating Majorana bound states at a relatively high temperature.

研究の動機と目的

• 2次元トポロジカル超伝導体においてマヨラナ束縁状態 (MBS) を特定し、分離すること。
• ストリングルコアにおけるMBSのシグネチャを覆す、偽の低エネルギー束縁状態の課題を克服すること。
• 相転移温度が比較的高い（14.5 K）条件下で、MBSをクリアに観測可能なプラットフォームを示すこと。
• FeTe1−xSe (x = 0.45) が、強固なトポロジカルな表面状態を示すことから、トポロジカルな量子計算の実現可能性を確立すること。

提案手法

• スキャントンネル顕微鏡 (STM) を用いて、FeTe1−xSe (x = 0.45) の超伝導表面状態の局所的電子構造を調査した。
• ストリングルコアを特定し、トポロジカル超伝導性が予測するゼロエネルギーモードを検証した。
• この材料における超伝導ギャップとフェルミエネルギーの比が高く、MBSを非トポロジカルな束縁状態からエネルギー的に分離可能であることを活用した。
• ストリングルコアの空間的および分光的マッピングにより、マヨラナ束縁状態に特徴的なゼロエネルギーピークを直接同定した。
• ゼロエネルギー付近に追加の低エネルギー状態が存在しなかったことから、観測されたMBSの純粋さが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄系超伝導体のストリングルコアにおいて、純粋なマヨラナ束縁状態を観測できるか？
• RQ2 超伝導ギャップ対フェルミエネルギー比が、ストリングルコアにおける非トポロジカルな束縁状態をどの程度抑制するか？
• RQ3 ストリングルコアにおける観測されたゼロエネルギーモードは、トポロジカルなマヨラナ束縁状態と整合的か？
• RQ4 より高い温度での超伝導プラットフォームは、量子計算に適した安定的かつ分離されたMBSを支持できるか？

主な発見

• ストリングルコアの中心に明確なゼロエネルギーピークが観測され、それが純粋なマヨラナ束縁状態であると特定された。
• FeTe1−xSe (x = 0.45) の高い超伝導ギャップ対フェルミエネルギー比のおかげで、非トポロジカルな束縁状態がゼロエネルギーから押し出された。
• MBSはストリングルコアに空間的に局在しており、他の低エネルギー状態から明確に分離されており、そのトポロジカル起源が確認された。
• 観測は臨界温度14.5 Kで達成され、多くの既存のMBSプラットフォームと比較して顕著に高い温度であった。