半導體所等在高質量半導體-超導納米線研究方面取得系列進展

第三代半導體聯合創新孵化中心

2022年11月10日 15:35

在實現量子計算的多種方案中，基于馬約拉納零能模的拓撲量子計算有望從物理原理層面解決量子退相干問題，受到廣泛關注。理論預言，具有強自旋軌道耦合的窄禁帶半導體InAs和InSb納米線與超導體耦合，可以實現馬約拉納零能模和拓撲量子計算。然而，由于窄禁帶半導體納米線與常規超導體之間晶格失配很大，高質量樣品的制備一直是制約半導體-超導納米線拓撲量子計算研究的關鍵難題。

中科院半導體所趙建華、潘東團隊長期致力于用于拓撲量子計算的高質量半導體-超導納米線分子束外延可控制備研究。他們首先在Si襯底上外延出了高質量純相超細單晶InAs納米線（D. Pan et al. Nano Lett. 14, 2014, 1214），之后，通過對分子束外延設備進行多次升級改造，發展了低溫原位外延技術，在純相超細InAs納米線側壁成功外延出超導金屬Al。

InAs和Al均具有高晶體質量，InAs-Al界面達到原子級平整（圖1高分辨透射電鏡圖像）。該團隊與清華大學物理系張浩課題組合作，在該InAs–Al納米線中觀察到硬超導能隙和雙電子庫侖阻塞等現象，這些都是實現拓撲量子計算的必要前提條件。該工作以“In situ epitaxy of pure phase ultra-thin InAs-Al nanowires for quantum devices”為題發表在Chin. Phys. Lett. (Express Letters)39 (2022) 058101上，半導體所潘東研究員、清華大學物理系宋化鼎和張珊博士后為共同第一作者，半導體所趙建華研究員和清華大學張浩副教授為共同通訊作者。該實驗工作首次在材料生長上（輔以輸運表征）探索了馬約拉納納米線研究中的一個新的實驗維度：更細的納米線直徑，為接下來實現單一子能帶占據（從準一維到一維）的納米線系統做了鋪墊。

2022年5月27日英國物理學會Physics World雜志以“Ultrathin nanowires could be a boon for error-resistant quantum computing”為題對該進展進行了報道，詳見如下：

https://physicsworld.com/a/ultrathin-nanowires-could-be-a-boon-for-error-resistant-quantum-computing/

圖1. 純相超細InAs–Al納米線的微結構及輸運性質。上圖（從左至右）：InAs–Al納米線結構示意圖、高階環形暗場透射電鏡圖像、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能隙和由安德列夫束縛態誘導的零偏壓電導峰，在InAs–Al納米線庫侖島器件中實現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演變。

馬約拉納零能模的一個主要實驗證據是隧穿電導譜中量子化的零偏壓電導峰。近年理論發展意識到一類特殊的拓撲平庸的安德列夫束縛態，也能導致量子化的零偏壓峰。其機制同馬約拉納類似：借助于平滑的隧穿勢壘，該安德列夫束縛態可分解為兩個空間有重疊的馬約拉納零能模，并只有一個馬約拉納貢獻電導（故量子化），另一個馬約拉納和外界無耦合。因該安德列夫態可在量子化甚至非阿貝爾編織操作上模擬真實的馬約拉納，又稱為“準馬約拉納零能模”。

最近，在大幅提高InAs-Al納米線材料和器件質量后，該團隊與張浩課題組合作觀測到量子化零偏壓電導峰（圖2）。該電導峰在量子化附近（5%精度范圍內）形成一個電導平臺。這是首次觀測到隨三個實驗參數變化（磁場和兩個門電極）都可形成平臺的“量子化島”。實驗結果同馬約拉納或準馬約拉納的預言吻合。2022年10月14日，該工作以“Plateau regions for zero-bias peaks within 5% of the quantized conductance value 2e²/h”為題發表在Phys. Rev. Lett. 129 (2022) 167702上，清華大學物理系研究生王照宇、張梓桐，北京量子院助理研究員宋化鼎和半導體所研究員潘東為共同第一作者，清華大學張浩副教授、量子院宋化鼎助理研究員以及半導體所趙建華研究員為共同通訊作者。

圖2. (a)器件掃描電鏡圖。(b)零偏壓電導峰隨磁場和門電壓的變化，黑線為零偏壓電導。(c)零偏壓電導峰隨偏壓和磁場的變化。

當隧穿勢壘進一步降低，零偏壓電導會繼續維持在量子化附近，而高偏壓電導則會超過量子化，形成量子化零偏壓電導峰-電導谷的連續轉變。這一轉變是由于馬約拉納或準馬約拉納的自旋選擇性質所導致。近期，該聯合團隊在另一個InAs-Al納米線器件中觀察到由磁場誘導的零偏壓電導峰-電導谷在量子化附近的轉變（圖3）。該工作以“Large zero bias peaks and dips in a four-terminal thin InAs-Al nanowire device”為題發表在 Phys. Rev. Research 4 (2022) 033235上，清華大學物理系博士后宋化鼎、研究生張梓桐和半導體所研究員潘東為共同第一作者，清華大學張浩副教授、半導體所趙建華研究員和量子院尚汝南副研究員為共同通訊作者。

圖3.（a）馬約拉納器件示意圖（上）和量子化電導峰-電導谷轉變示意圖（下）。（b）InAs-Al器件圖（上）和隨磁場變化的電導譜（下）。

此外，當前超導-半導體納米線馬約拉納零能模的一個研究焦點是如何在實驗上區分馬約拉納零模和安德列夫束縛態：兩者在輸運上皆可體現為零偏壓電導峰。依據清華大學物理系劉東等人的理論預言，上述聯合團隊制備出了基于InAs–Al納米線的馬約拉納量子耗散器件（圖4），有效地過濾掉由缺陷引發的平庸安德烈夫束縛態。該器件結構有助于更高效地尋找馬約拉納零能模的相關信號。該工作以“Suppressing Andreev bound state zero bias peaks using a strongly dissipative lead”為題發表在Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 076803上，清華大學物理系博士后張珊、中科院物理所研究生王志川以及半導體所研究員潘東為共同第一作者，清華大學張浩副教授、半導體所趙建華研究員以及清華大學物理系劉東副教授為共同通訊作者。