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  • 铁基超导体中马约拉纳电导的近量 铁基超导体中马约拉纳电导的近量子化平台

      马约拉纳费米子是由物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)预言的一种基本粒子,其具有电中性且反粒子是自身。在凝聚态物理的材料体系中,被拓扑缺陷上束缚的马约拉纳准粒子,其产生湮灭算符满足自共轭关系,通常呈现出零能电导信号,被称为马约拉纳零能模。理论证明,马约拉纳零能模满足非阿贝尔任意子统计规律,是实现容错拓扑量子计算的主要路径之一。

      过去的几年里,中国科学院大学(国科大)、中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究团队与丁洪研究团队合作,利用自主设计组装的国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱(STM/S)联合系统精确测量了FeTe0.55Se0.45单晶样品的超导涡旋,得到了铁基超导中的马约拉纳零能模的实验证据 (D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。随后,他们针对马约拉纳零能模只在部分磁通涡旋中存在这一问题,对铁基超导中的马约拉纳零能模进一步研究,发现FeTe0.55Se0.45单晶样品表面同时存在两种不同类型的磁通涡旋,根据马约拉纳零能模的存在与否,磁通涡旋束缚态的量子化能级序列存在半整数位的嬗移。他们给出了FeTe0.55Se0.45样品表面马约拉纳零能模存在的微观物理机制,澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质 (L. Kong et al., Nature Physics 15, 1181 (2019))。

      已有的实验通过研究零能模的波函数、准粒子中毒 (Science 2018) 以及全局束缚态的能级序列 (Nature Physics 2019) 提供了马约拉纳零能模存在的大量实验证据,也解释了马约拉纳零能模存在的微观物理机制,但是先前的实验并未对马约拉纳零能模的本质特征(电子空穴等价性)做出直接观测。在新奇物理现象丰富的凝聚态材料中,仍需要更强的实验证据证明零能模信号来源于马约拉纳准粒子,尤其是对其电导行为的实验观测。对于一般超导体,一个入射的电子会产生一个反射的空穴,这一过程称为Andreev反射,其电导是与隧道结大小有关的任意值。然而得益于马约拉纳准粒子的电子/空穴组成等价混合,在马约拉纳零能模上发生的Andreev反射的电子与空穴隧穿概率本征相等,从而导致了马约拉纳对称性保护的电子-空穴共振隧穿条件,其电导是与隧道结大小无关的量子化值(2e2/h)。 这一马约拉纳零能模参与的共振Andreev反射可以看作是半导体中等价双势垒共振隧穿的“超导版本”。在实验上可以通过连续改变测量极与马约拉纳零能模之间的隧道结大小的方法,观测到独特的2e2/h-量子化的马约拉纳电导平台特征。该特征是马约拉纳零能模电子空穴等价性的直接表现,也是马约拉纳零能模存在的关键性实验证据。

      最近,高鸿钧院士研究团队与丁洪研究员团队进一步合作,利用其极低温强磁场STM/S联合系统,开展了相关研究。他们通过连续可控改变针尖与FeTe0.55Se0.45单晶样品之间的隧穿耦合强度,观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征(图一)。大量的实验观测表明,该电导平台特征是受到马约拉纳本征电子/空穴对称性保护的马约拉纳零能模所特有的,其他非零能磁通涡旋束缚态并不存在这种电导平台特征(图二)。通过设计严谨的对照实验,研究团队测量了零磁场超导谱随隧穿耦合强度的变化,超导能隙内外的隧穿电导均呈现平庸的单调增长行为,这排除了量子化弹道输运产生电导平台的可能性。通过对磁通涡旋统计分析,他们发现了平台电导值近量子化的分布规律,并进一步分析了可能导致平台电导值小于量子化电导2e2/h的影响因素,系统能量展宽和准粒子中毒效应(图三)。整个测量过程保证了样品与针尖状态不会发生改变,测量过程可重复。证明了平台电导特征在马约拉纳零能模中普遍存在。

      这项研究工作利用STM/S技术,观测到了磁通涡旋中马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征,给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据,为研究马约拉纳零能模和推动未来拓扑量子计算起到了重要的推动作用。相关研究结果于11月12日在Science杂志在线发表。国科大博士生、中科院物理所朱诗雨、孔令元、曹路和陈辉博士为共同第一作者,国科大物理科学学院张余洋丁洪高鸿钧为共同通讯作者。美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究员提供了高质量的单晶样品,麻省理工学院傅亮教授提供了理论支持。该工作得到了科技部 (2015CB921000, 2015CB921300, 2016YFA0202300), 国家自然科学基金委 (11234014, 61888102),和中国科学院(XDB28000000, XDB07000000, 112111KYSB20160061)的支持。

    延伸阅读:
    http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201808/t20180817_5056877.html
    http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201908/t20190821_5367346.html

    文章链接:
    https://science.sciencemag.org/content/early/2019/12/11/science.aax0274

     W020191213367996027035

     图一, FeTe0.55Se0.45表面磁通涡旋中的零能电导平台

    W020191213367996173772

    图二,马约拉纳零能模的Andreev共振反射。

     W020191213367996247842

    图三,马约拉纳平台电导值的变化规律。

     

    2019-12-13
  • 物理科学学院开展2019-20 物理科学学院开展2019-2020学年度宿舍检查及评比活动

           冬季是宿舍安全问题的高发期,为提醒同学们注意宿舍安全,并保持良好的卫生习惯,2019年11月26日中午12:30,物理科学学院开展了本学期第二次宿舍安全卫生检查活动,并进行了宿舍评比。本次检查与第一次相同,主要针对各宿舍公共区域和私人区域的安全卫生情况进行检查。物理学院张莉老师、王帅老师、张银老师、朱元慧老师、陈梦梦老师和郝文钰老师带队参与了本次活动。

           在活动过程中,来自各个宿舍的47位检查人员分别对所负责的宿舍进行了检查,根据宿舍卫生、安全等方面的情况进行打分,并对部分优秀宿舍拍照记录。各宿舍检查所记分数经过汇总得到分数排名,公示一天后,评选出一、二 、三等奖及纪念奖并颁发奖品。

           以下是获奖名单:

           一等奖:7-671、5-344、5-352

           二等奖:7-662、7-672、1-262、1-272、1-182、5-334、5-353

           三等奖:7-641、7-661、7-681、1-271、1-312、1-322、5-324、5-333、5-341、5-361、5-362

           纪念奖:7-642、7-651、7-652、5-452、1-252、1-313、1-411、5-321、5-322、5-323、5-331、5-332、5-351

           本次宿舍安全卫生检查及评比活动旨在引起同学们对宿舍安全卫生的重视,并提醒同学们养成良好的生活习惯,维护良好的生活环境。希望本次检查后同学们能够更加重视宿舍的安全与卫生,杜绝违章电器的使用,度过一个舒适、安心的冬天。

    部分优秀宿舍的照片:

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    2019-12-12
  • “不忘初心,牢记使命”专题组织 “不忘初心,牢记使命”专题组织生活会

            2019年12月6日中午11时30分,物理科学学院高年级学生党支部在玉泉路校区科研楼417会议室召开了“不忘初心,牢记使命”专题组织生活会。物理-天文学院党委委员、物理科学学院副院长郑阳恒同志列席了本次会议。

            首先,郑阳恒同志指出,此次生活会的主题是“不忘初心,牢记使命”。作为一名党员,我们要时刻牢记身为党员的初心和使命,就是为中国人民谋幸福,为中华民族谋复兴。不仅如此,我们也要牢记身为研究生的初心和使命,就是成为合格的社会主义接班人、物理学领域的学科带头人。

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            随后,会议进入民主评议环节。每位党员首先围绕主题教育相关书籍的阅读情况,谈了自己在学习相关书籍方面的收获和感悟。同时对自己在学习的积极性、主动性、深入性不足等问题进行了客观总结和反思。之后,根据对照党章、准则、条例的自查情况,与会党员轮流陈述了自身存在问题以及整改的情况:多位同志谈到了学习党的理论知识和参加党支部活动积极性不足的问题,表示以后将更加严格地按照党员标准的要求自己。最后,围绕党员先锋模范作用、履职尽责的情况,进行了总结。完成个人自评后,进行了党员互评。

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            随后,各位党员对党支部的工作进行评议。秦佳佳、李豪豪、李文君、陈喜亚等同志对加强党员之间的交流互动提出了建议;王子一、董雪娟、许名权、表弈、展林弟、王振宇、胡彬、马瑞廷、吴振基等同志对支部会议和活动的形式、时间安排、通知等工作提出了意见和建议;胥英超同志则就党课的安排谈了自己的建议。针对以上问题和建议,支部书记徐兢一同志对各位同志的建议表示认同,并对提出的问题一一作了回应和解释,并表示后续会改正这些问题。

            接着,参加本次生活会的几位入党积极分子也分别谈了自己的感受。杨超同志表示,批评与自我批评是提升自己的一种传统方法,通过这次会议,他发现自己理论知识的学习还存在着不足,为此要积极向党组织靠拢,多参加党组织的各项活动。

            最后,郑阳恒同志对会议进行了总结。郑阳恒同志表示,我们要结合好党员、国科大物理学院研究生、科研工作者的角色,在坚守党的初心和使命的基础上,以更高的标准要求自己。他指出,我们具有逻辑性强,自我判断力好等优势,我们要起到良好的带头作用,把党的知识和科学知识传播给群众。我们身处国科大,这个非常优秀的平台上,提升自己的科研水平,为国家物理学的发展做出自己的贡献,这是大家作为国科大物理学院研究生应该坚守的初心和使命。

    2019-12-12
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