清华大学物理系拓扑量子器件团队在PbTe纳米线中实现零场下的弹道输运

半导体纳米线同超导耦合后有望实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算。该领域基于传统InAs和InSb纳米线的研究面临的最大的技术瓶颈在于器件中的杂质过多。杂质不光会诱导一些拓扑平庸的零能束缚态，更会破坏拓扑能隙并抑制马约拉纳的产生。衡量纳米线器件中杂质含量的一个最直接的手段便是测量其量子输运性质。干净的纳米线器件会呈现出弹道输运，并在电导随门电压的调控中体现为量子化平台。随着器件中杂质含量增长，量子化电导平台会变差并消失，输运过渡为扩散输运。为解决杂质问题，近些年物理系拓扑量子器件团队提出了PbTe纳米线这一新材料体系，并做了系统性的理论和实验工作，见PRB 105，085424 (2022)，PRMaterials 6，034205 (2022)，PRB 105，L241112 (2022)，PRMaterials 7， 086201 (2023) 和PRB 108， 045426 (2023)。

最近，该团队在PbTe纳米线中首次实现了零磁场下的弹道输运，质量上超越了之前在高场下才能实现弹道输运的PbTe纳米线。高质量的零场量子化电导平台（见下图）表明器件杂质得到了极大程度的降低，追平了InSb纳米线器件中的最高水平。此外，平台的电导值表明PbTe中的谷简并在纳米线形态下被破除，满足了实现马约拉纳的另一前提条件。

a, 器件扫描电镜图。b, 零场下量子化电导平台。c, 电导平台随偏压变化，呈现菱形。d, 量子化平台在磁场中呈现Zeeman劈裂。e, 不同磁场下的平台。

该工作以“Ballistic PbTe nanowire devices”为题发表在 Nano Letters上。第一作者为物理系的研究生：王禹灏、陈芳婷和宋文玉。通讯作者为物理系的何珂教授和张浩副教授。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、清华大学自主科研计划、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心、北京市科委、合肥国家实验室以及科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目的资助。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03604

来源 | 清华大学物理系

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