[논문 리뷰] Observation of pristine Majorana bound state in iron-based superconductor

Dongfei Wang, Lingyuan Kong외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 19.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여 철기반 초전도체인 FeTe1−xSe (x = 0.45)의 비틀림 핵에서 순수한 마요라나 고립 상태(MBS)를 처음으로 명확히 관측했다. 높은 초전도 갭 대 페르미 에너지 비율은 비위상적 고립 상태를 억제하여 영에너지 MBS를 분리시켰으며, 이는 위상적 양자 계산을 위한 안정적이고 상대적으로 높은 온도에서의 플랫폼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중 차원 위상적 초전도체에서 마요라나 고립 상태(MBS)를 식별하고 분리하는 것.
• 비틀림 핵에서 MBS 신호를 가리키는 가짜 저에너지 고립 상태의 문제를 해결하는 것.
• 상대적으로 높은 임계 온도(14.5 K)에서 청소된 상태로 MBS를 관측할 수 있는 플랫폼을 보여주는 것.
• FeTe1−xSe (x = 0.45)가 강력한 위상적 표면 상태를 지니므로, 위상적 양자 계산에 실현 가능한 후보로 확립하는 것.

제안 방법

• 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 FeTe1−xSe (x = 0.45)의 초전도 표면 상태의 국소 전자 구조를 탐사하였다.
• 위상적 초전도성에 기대하는 영에너지 모드를 조사하기 위해 비틀림 핵을 식별하였다.
• 이 물질에서 초전도 갭과 페르미 에너지의 높은 비율을 활용하여 MBS를 비위상적 고립 상태로부터 에너지적으로 분리하였다.
• 비틀림 핵의 공간적 및 스펙트럼 맵핑을 통해 마요라나 고립 상태의 특징적인 영에너지 피크를 직접 식별하였다.
• 영에너지 근처에 추가적인 저에너지 상태가 없음을 확인하여 관측된 MBS의 순수성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철기반 초전도체의 비틀림 핵에서 순수한 마요라나 고립 상태를 관측할 수 있는가?
• RQ2 초전도 갭 대 페르미 에너지 비율이 비틀림 핵에서 비위상적 고립 상태를 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 비틀림 핵에서 관측된 영에너지 모드는 위상적 마요라나 고립 상태와 일치하는가?
• RQ4 더 높은 온도에서의 초전도 플랫폼이 안정적이고 분리된 MBS를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 비틀림 핵의 중심에서 명확한 영에너지 피크가 관측되었으며, 이는 순수한 마요라나 고립 상태로 확인되었다.
• FeTe1−xSe (x = 0.45)에서 높은 초전도 갭 대 페르미 에너지 비율 덕분에 비위상적 고립 상태가 영에너지에서 멀어졌다.
• MBS는 비틀림 핵에서 공간적으로 국소화되어 있으며 다른 저에너지 상태들과 잘 분리되어 있어, 그 위상적 기원을 확인하였다.
• 관측는 임계 온도 14.5 K에서 이루어졌으며, 이는 이전의 많은 MBS 플랫폼보다 상당히 높은 온도였다.