[논문 리뷰] Reversible transition between Yu-Shiba-Rusinov state and Majorana zero mode by magnetic adatom manipulation in an iron-based superconductor

Peng Fan, Fazhi Yang외 17명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 21.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경을 이용한 제어된 조작을 통해 철기반 초전도체인 Fe(Te,Se)에서 유-시바-루신로프(YSR) 상태와 메이저라나 제로 모드(MZMs) 사이의 가역적 전이를 입증한다. 주요 발견은 메이저라나 제로 모드는 자레만 분리 없이 견고한 영점 편향 피크를 보이며, 이는 adatom-표면 결합을 조절함으로써 YSR 상태로 전환되고 다시 복원될 수 있음을 보여주며, 이는 양자 비정상 빛가시성에서 MZMs의 동적 제어 및 소멸을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 철기반 초전도체에서 자성 불순물과 위상적 초전도성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 유-시바-루신로프(YSR) 상태와 메이저라나 제로 모드(MZMs)가 동일한 시스템에서 공존하거나 상호 전환 가능한지를 규명하기 위해.
• 외부적으로 자성 adatom 결합을 제어함으로써 MZMs를 동적으로 조작하고 끈적임을 탐색하기 위해.
• 자기장 하에서 Fe adatoms에 의해 유도된 금속간 결속 상태의 성격을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 Fe(Te,Se) 표면의 개별 Fe adatoms를 영상화하고 스펙트로스코피적으로 탐측하였다.
• 자기장 다양한 조건에서 터널링 스펙트럼을 측정하여 자레만 분리 현상과 MZMs 또는 YSR 상태의 존재 여부를 확인하였다.
• STM 터널링 헤드를 이용한 adatom 위치나 환경 조작을 통해 Fe adatoms와 초전도 표면 간의 결합 강도를 가역적으로 조절하였다.
• 양자 비정상 빛가시성과 자기장 유도 빛가시성을 유도하기 위해 외부 자기장을 적용하여 MZMs 및 YSR 상태 형성에 기여하였다.
• adatom 구성 및 자기장에 따른 금속간 상태의 진화를 모니터링하여 YSR 및 MZM 특성 간 전이를 관찰하였다.
• 영점 편향 도전도 피크와 그 자기장 반응을 사용하여 MZMs(자레만 분리 없음)와 YSR 상태(자기장 유도 분리)를 식별하는 서명으로 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 유형의 자성 불순물(Fe adatom)이 철기반 초전도체에서 유-시바-루신로프(YSR) 상태와 메이저라나 제로 모드(MZMs)를 모두 생성할 수 있는가?
• RQ2 Fe adatoms와 초전도 표면 간의 결합을 조절함으로써 YSR 상태와 MZMs 사이에 가역적 전이가 가능한가?
• RQ3 양자 비정상 빛가시성(QAVs)이 안정적인 MZMs를 수용하고 조작하거나 소멸시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 외부 자기장의 적용이 이 시스템에서 금속간 결속 상태의 안정성과 자기장 반응에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 두 가지 유형의 Fe adatoms가 식별되었다: 제1형은 자기장 하에서도 자레만 분리 없이 견고한 영점 편향 피크를 보이며, 이는 양자 비정상 빛가시성(QAV) 내에서 메이저라나 제로 모드(MZM)와 일치한다.
• 제2형 Fe adatoms는 비영점 에너지에서 유-시바-루신로프(YSR) 상태를 생성하며, 자기장 하에서 명확한 자레만 분리를 보여, 비메이저라나 성격을 확인한다.
• STM 터널링 헤드를 이용한 Fe adatoms와 Fe(Te,Se) 표면 간의 결합 강도 조절을 통해 YSR 상태와 MZMs 간의 가역적 전이가 달성되었다.
• 자기장 유도 빛가시성이 QAV와 융합함으로써 두 MZMs의 소멸이 관측되었으며, 이는 위상 전하 보존과 MZMs의 비아벨 성질을 확인한다.
• MZM 서명(영점 편향 피크)은 자기장 하에서도 안정성을 유지하는 반면, YSR 상태는 자기장에 비례해 에너지 분리가 발생함을 확인하여 서로 다른 물리적 기원을 입증한다.
• 이 시스템은 위상적 준입자를 동적으로 제어할 수 있으며, 바리잉 및 위상적 양자 컴퓨팅을 위한 잠재적 길을 열어준다.