[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究通过利用扫描隧道显微镜对铁基超导体（Fe(Te,Se)）中的磁性Fe吸附原子进行可控操控，实现了Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态与Majorana零模（MZMs）之间的可逆转换。关键发现是，通过调节吸附原子与表面的耦合强度，具有强鲁棒性零偏置峰且无Zeeman分裂的MZMs可被转化为YSR态并可逆地恢复，从而实现了对量子反常涡旋中MZMs的动态控制与湮灭。

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.

研究动机与目标

• 研究磁性杂质与铁基超导体中拓扑超导性的相互作用。
• 确定Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态与Majorana零模（MZMs）是否可在同一系统中共存或相互转化。
• 探索通过外部调控磁性吸附原子耦合，实现对MZMs的动态操控与编织的可能性。
• 阐明在磁场作用下，Fe吸附原子在Fe(Te,Se)中诱导的能隙束缚态的性质。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜（STM）对Fe(Te,Se)表面的单个Fe吸附原子进行成像与谱学探测。
• 在不同磁场下采集隧道谱，以检测Zeeman分裂并识别MZMs或YSR态的存在。
• 通过STM探针调控吸附原子位置或环境，可逆地调节Fe吸附原子与超导表面之间的耦合强度。
• 施加外部磁场以诱导量子反常涡旋和磁场诱导涡旋，实现MZM与YSR态的形成。
• 监测不同吸附原子构型与磁场下能隙态的演化，以观察YSR与MZM特性的转换。
• 利用零偏置电导峰及其磁场响应作为特征，区分MZMs（无Zeeman分裂）与YSR态（磁场诱导分裂）。

实验结果

研究问题

• RQ1 同一类磁性杂质（Fe吸附原子）是否可在铁基超导体中同时产生Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态与Majorana零模（MZMs）？
• RQ2 通过调节Fe吸附原子与超导表面之间的耦合强度，是否可实现YSR态与MZMs之间的可逆转换？
• RQ3 量子反常涡旋（QAVs）在宿主稳定MZMs方面起到何种作用，使其可被操控或湮灭？
• RQ4 外加磁场如何影响该体系中能隙束缚态的稳定性和磁场响应？

主要发现

• 识别出两种不同类型的Fe吸附原子：I型在磁场下表现出强鲁棒性零偏置峰且无Zeeman分裂，与量子反常涡旋（QAV）中的Majorana零模（MZM）一致。
• II型Fe吸附原子在非零能量处产生Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态，且在磁场下表现出明显的Zeeman分裂，证实其非Majorana特性。
• 通过STM探针调控Fe吸附原子与Fe(Te,Se)表面之间的耦合强度，成功实现了YSR态与MZMs之间的可逆转换。
• 当一个磁场诱导涡旋与一个QAV合并时，观察到两个MZMs的湮灭，证实了拓扑电荷守恒以及MZMs的非阿贝尔性质。
• MZM特征（零偏置峰）在磁场下保持稳定，而YSR态则表现出与磁场成比例的能量分裂，证实了其不同的物理起源。
• 该体系展示了对拓扑准粒子的动态控制能力，为编织与拓扑量子计算提供了潜在路径。