一種純相超細(xì)InAs–Al納米線的制造方法

文章亮點(diǎn)

首次在極細(xì)的InAs納米線上原位外延生長(zhǎng)出超導(dǎo)鋁薄膜，并觀察到硬超導(dǎo)能隙和雙電子庫侖阻塞等現(xiàn)象。通過調(diào)節(jié)納米線的直徑，為未來研究馬約拉納零能模打開了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)維度。

圖1. 純相超細(xì)InAs–Al納米線的微結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)性質(zhì)。上圖（從左至右）：InAs–Al納米線結(jié)構(gòu)示意圖、高階環(huán)形暗場(chǎng)透射電鏡圖像、EDS成分面掃圖及高分辨透射電鏡圖像。下圖（從左至右）：在InAs–Al納米線隧穿量子器件中觀察到硬超導(dǎo)能隙和由安德列夫束縛態(tài)誘導(dǎo)的零偏壓電導(dǎo)峰，在InAs–Al納米線庫侖島器件中實(shí)現(xiàn)雙電子周期的庫侖阻塞以及庫侖阻塞峰從雙電子到單電子的磁場(chǎng)演變。

用于拓?fù)淞孔悠骷募兿喑?xì)InAs–Al納米線原位分子束外延

研究背景

半導(dǎo)體–超導(dǎo)復(fù)合納米線有望實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模和拓?fù)淞孔佑?jì)算。理論上，半導(dǎo)體納米線可看作具有強(qiáng)自旋軌道耦合的一維電子系統(tǒng)，而超導(dǎo)通過近鄰效應(yīng)提供配對(duì)勢(shì)。在特定的電場(chǎng)和磁場(chǎng)情況下，該系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上等價(jià)于Kitaev Chain模型，并在納米線的兩端產(chǎn)生兩個(gè)馬約拉納零能模。在過去十年中，這一領(lǐng)域的深入研究主要聚焦于如何獲得更干凈平整的半導(dǎo)體–超導(dǎo)界面，從而得到高質(zhì)量的超導(dǎo)近鄰效應(yīng)，輸運(yùn)上體現(xiàn)為硬超導(dǎo)近鄰能隙，納米線直徑大部分維持在100納米左右。這個(gè)直徑導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)多個(gè)一維的子能帶被占據(jù)，致使Kiteav Chain物理圖像更加復(fù)雜。而直徑更細(xì)的納米線會(huì)帶來更大的子能帶間距以及更少的占據(jù)數(shù)，甚至有望達(dá)到單一子能帶占據(jù)的極限。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華、潘東團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)出超細(xì)的InAs–Al納米線，其中InAs納米線直徑最細(xì)可達(dá)20納米以下。細(xì)納米線的另一優(yōu)勢(shì)反映在晶體質(zhì)量上，該團(tuán)隊(duì)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直徑低于約48納米的InAs線為純相單晶，而超出此直徑范圍的納米線在結(jié)構(gòu)上往往體現(xiàn)為纖鋅礦和閃鋅礦兩相交替，并伴隨有大量層錯(cuò)和孿晶缺陷，從而成為拓?fù)淞孔悠骷须s質(zhì)的一個(gè)重要來源。在量子器件制備和輸運(yùn)測(cè)量方面，該團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)物理系張浩課題組合作，在基于純相的細(xì)InAs–Al納米線中展示了硬超導(dǎo)近鄰能隙和雙電子庫侖阻塞等實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算的必要前提條件。此外，觀察到的安德列夫束縛態(tài)誘導(dǎo)的零偏壓電導(dǎo)峰也為下一步納米線的生長(zhǎng)和器件的優(yōu)化提供了有益的反饋。

研究意義和重要性

該實(shí)驗(yàn)工作首次在材料生長(zhǎng)上（輔以輸運(yùn)表征）探索了馬約拉納納米線研究的一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)維度——更細(xì)的納米線直徑，為接下來實(shí)現(xiàn)單一子能帶占據(jù)（從準(zhǔn)一維到一維）的納米線系統(tǒng)做了鋪墊。最近，上述聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在優(yōu)化后的純相超細(xì)InAs–Al納米線中觀察到了準(zhǔn)量子化電導(dǎo)平臺(tái)，特別是首次觀察到接近量子化的零偏壓電導(dǎo)谷到零偏壓電導(dǎo)峰的轉(zhuǎn)變[arXiv:2107.08282]。此外，還依據(jù)清華大學(xué)物理系劉東等人的理論預(yù)言，制備出基于純相超細(xì)InAs–Al納米線的馬約拉納量子耗散器件，有效地過濾掉由缺陷引發(fā)的平庸安德烈夫束縛態(tài)。該器件結(jié)構(gòu)有助于更高效地尋找馬約拉納零能模的相關(guān)信號(hào)[Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 076803]。

CPL Express Letters欄目簡(jiǎn)介

為了保證重要研究成果的首發(fā)權(quán)和顯示度，CPL于2012年6月開設(shè)了Express Letters欄目。此欄目發(fā)表速度快，學(xué)術(shù)質(zhì)量高。截至2020年底，平均每篇被引用約20次，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)物理學(xué)界建立起良好口碑與聲望，來稿數(shù)量不斷增加。

原文標(biāo)題：用于拓?fù)淞孔悠骷募兿喑?xì)InAs–Al納米線原位分子束外延

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審核編輯：湯梓紅