[論文レビュー] Reversible transition between Yu-Shiba-Rusinov state and Majorana zero mode by magnetic adatom manipulation in an iron-based superconductor

Peng Fan, Fazhi Yang+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡を用いた磁性Fe自己原子の制御的操作により、鉄系超伝導体（Fe(Te,Se)）においてYu-Shiba-Rusinov（YSR）状態とマヨラナ零モード（MZMs）の間を逆転可能な遷移を実証した。主な発見は、Magnetizationのないゼロバイアスピークが観察され、ゼーマン分裂を示さないマヨラナ零モード（MZMs）が、自己原子-表面結合を調整することでYSR状態に変換され、再び元に戻せることであり、量子異常渦におけるMZMsの動的制御および消去が可能になる。

ABSTRACT

Defects in a superconductor can generate in-gap bound states, including Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states at magnetic impurities and Majorana zero modes (MZMs) inside magnetic vortices. Here we reveal by scanning tunneling microscope that both types of bound states can be generated by magnetic Fe adatoms deposited on the surface of Fe(Te,Se). We observe two types of Fe adatoms: Type-I induces integer quantized in-gap states anchored by a robust zero-bias peak in the tunneling spectrum that shows no Zeeman splitting under an applied magnetic field, consistent with a MZM in the quantum anomalous vortex (QAV); Type-II generates YSR states at nonzero energies that show magnetic field induced Zeeman splitting. More remarkably, we discover a reversible transition between YSR states and MZM by manipulating the coupling between Fe adatoms and surface, and annihilation of two MZMs hosted in a QAV and a field-induced vortex. Our findings pave a new path to manipulate and braid MZMs.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体における磁性不純物とトポロジカル超伝導性の相乗作用を調査すること。
• 同じ系においてYu-Shiba-Rusinov（YSR）状態とマヨラナ零モード（MZMs）が共存可能であるか、あるいは互いに変換可能であるかを特定すること。
• 外部からの磁性自己原子結合の制御により、MZMsを動的に操作し、バーニング可能であるかを検討すること。
• 磁場下におけるFe自己原子が誘導する隙内束縛状態の性質を明確にすること。

提案手法

• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、Fe(Te,Se)表面に存在する個々のFe自己原子の像を撮影し、分光的にプローブした。
• 磁場を変化させながらトンネルスペクトルを取得し、ゼーマン分裂の有無を検出し、MZMsまたはYSR状態の存在を同定した。
• STMプローブを用いた自己原子の位置や環境の操作により、Fe自己原子と超伝導表面との結合強度を逆転可能に調整した。
• 量子異常渦と磁場誘起渦を生成するために外部磁場を印加した。
• 自己原子の配置と磁場の関数としての隙内状態の進化をモニタリングし、YSR状態とMZMの性質の間の遷移を観察した。
• ゼロバイアス電導度ピークとその磁場応答を用いて、Magnetizationのない分裂がないMagnetization（MZMs）と、磁場によって分裂を示すYSR状態を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の磁性不純物（Fe自己原子）が鉄系超伝導体においてYSR状態とマヨラナ零モード（MZMs）を両方生成可能か？
• RQ2 Fe自己原子と超伝導表面との結合を調整することで、YSR状態とMZMsの間を逆転可能に遷移させられるか？
• RQ3 量子異常渦（QAVs）が、操作可能または消去可能な安定なMZMsを宿す役割を果たすか？
• RQ4 外部磁場の印加が、この系における隙内束縛状態の安定性および磁場応答に与える影響は何か？

主な発見

• 2種類の異なるFe自己原子が特定された：タイプIは磁場下でもゼロバイアスピークが強く、ゼーマン分裂を示さず、量子異常渦（QAV）に存在するマヨラナ零モード（MZM）と整合的である。
• タイプIIのFe自己原子は、非ゼロエネルギーにYSR状態を生成し、磁場下で明確なゼーマン分裂を示すため、非マヨラナ的性質が確認された。
• STMプローブによる自己原子-表面結合強度の操作により、YSR状態とMZMsの間を逆転可能に遷移させることに成功した。
• 磁場誘起渦がQAVと合体した際、2つのMZMsの消去が観察され、トポロジカル電荷保存則とMZMsの非アーベル的性質が裏付けられた。
• MZMの特徴（ゼロバイアスピーク）は磁場下でも安定であった一方、YSR状態は磁場に比例してエネルギー分裂を示し、物理的起源の相違が確認された。
• 本系は、トポロジカル準粒子の動的制御を可能としており、バーニングやトポロジカル量子計算に向けた道筋を示唆している。