俞大鹏团队在栅压调控拓扑超导相变实验研究方面取得进展

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近日，南科大量子科学与工程研究院讲席教授、中科院院士俞大鹏低维量子输运研究团队的博士后李彩珍与北京大学廖志敏教授、荷兰屯特大学李川助理教授等合作，在《物理评论快报》发表题为“Topological Transition of Superconductivity in Dirac Semimetal Nanowire Josephson Junctions”的研究论文，实现了狄拉克半金属纳米线约瑟夫森结中拓扑超导相变的栅压调控。这是李彩珍在博士后期间发表的第二篇量子输运实验方面的PRL研究成果。

        随着人类社会全面进入信息技术时代，无论是日常生活还是科学研究对计算机的算力要求越来越高。利用量子力学原理构建的量子计算机能够显著提高计算效率，将为信息高效处理提供更优质的平台。然而，构建通用量子计算机目前还存在许多技术问题，比如退相干：多个量子比特的纠缠极易受到环境噪声的破坏，导致保真度降低，计算错误几率增加。拓扑量子计算提供了一种退相干免疫的量子计算方式，拓扑量子比特在编码过程中可免于环境噪声的干扰，计算保真度大大提高。理论表明，马约拉纳零能模满足非阿贝尔任意子统计规律，是实现拓扑量子计算的最主要路径之一。而如何精准调控马约拉纳零能模的产生和消失是当前拓扑量子计算领域面临的一个重要挑战。
        面对上述挑战，该科研团队长期开展了相关研究工作。近期，团队在狄拉克半金属纳米线体系中首次实现了马约拉纳零能模的门电压调控。通过调节门电压，控制纳米线表面量子限制效应的出现和消失，进而调控体系的拓扑性质。由于该体系中电子的平均自由程远大于空穴的平均自由程，当调节门电压使得体系由电子导电进入空穴导电时，纳米线表面由量子限制效应导致的子能带能隙会逐渐消失，出现拓扑非平庸的狄拉克型能带。基于这种门电压调控的拓扑相变，将s波超导体与纳米线近邻，可实现门电压调控的拓扑超导相变，同时伴随着马约拉纳零能模的产生和消失。与传统的半导体-超导体近邻体系相比，这种在狄拉克半金属纳米线中实现的马约拉纳零能模的门电压调控方法具有多重优势。该系统中马约拉纳零能模的产生不需要额外加磁场，这样用来近邻的超导体种类就大大增加；同时这里马约拉纳零能模可以在较大的门电压范围内稳定存在，不需要参数的精准调制，有利于将来实现规模化的拓扑量子比特。

纳米线约瑟夫森结中场效应调控拓扑相变示意图

        该研究展示了狄拉克半金属纳米线中拓扑超导相变的门电压调控，同时也为马约拉纳零能模以及拓扑量子比特的操纵提供了新思路。
        南方科技大学为本论文第一单位。南方科技大学博士后李彩珍与北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生王安琦为文章的共同第一作者。北京大学廖志敏教授、荷兰屯特大学李川助理教授为文章的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等的支持。
        论文链接：https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.126.027001


        文章来源：南方科技大学
          文章来源：南方科技大学
          俞大鹏，男，1959年出生于宁夏中卫。现任南方科技大学物理系讲席教授、量子科学与工程研究院院长。1993年毕业于法国南巴黎大学，固体物理博士。1993年至1995年在中科院电子显微镜实验室担任博士后。1995年在北京大学物理学院任职，担任副教授，1999年晋升为正教授。俞大鹏教授2015年当选为中国科学院技术学部院士，2016年获深圳高层次专业人才称号，2017年被评为广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队（量子科学与工程团队）带头人，2017、2018、2019连续三年获得“深圳市产业发展与创新人才奖”。俞大鹏教授长期从事低维纳米结构物理研究，是最早发现自下而上制备一维半导体纳米线和二维狄拉克量子材料表征方法的国际先驱之一，为低维量子材料的研究做出了重要贡献。近十几年来，其研究重心集中在对单根纳米线、单体量子结构的光电力热磁等物理性质的精确量子调控上，取得了一系列成果。其领导的研究团队对纳米线、石墨烯等单个微观结构的光电力热磁等物理性质的操控能力达到了新的高度。
         廖志敏，1981年6月生，2002年本科毕业于中山大学物理系，2007年博士毕业于北京大学物理学院，然后留校任讲师，2010年1月至2011年1月爱尔兰圣三一学院博士后，2011年晋升为副教授。主要从事低维材料的制备和电子输运性质研究, 在单根纳米线的光电特性和自旋输运、石墨烯和拓扑绝缘体纳米结构的量子输运性质等方面作出了创新性研究成果；在Nature Communications(1篇),Sci. Rep.(3篇), Nano Lett.(3篇), Adv. Mater.(8篇), ACS Nano(3篇), Appl. Phys. Lett.(17篇)等学术期刊共发表SCI收录论文79篇，累计被SCI他引670余次; 入选2012教育部“新世纪优秀人才支持计划”。