基于二维半导体面内异质结构建拓扑量子计算器件的实验探索
批准号:
92165104
项目类别:
重大研究计划
资助金额:
79.0 万元
负责人:
常凯
依托单位:
学科分类:
拓扑凝聚态体系
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
常凯
中文摘要
构造强自旋轨道耦合的低维半导体与超导材料的异质结是当前实现马约拉纳零能模的主流方案之一。然而,由于界面上多种物理机制和缺陷效应共同作用带来的复杂性,在马约拉纳零能模的判据、零能模的稳定性等方面,目前基于非原位器件制备方法的实验研究仍然存在诸多问题。本项目拟利用面内分子束外延方法,在超高真空环境中原位生长IV-VI族或过渡金属硫族化合物二维半导体面内异质结,进而制备原子级平整的纳米线结构并得到一维金属态,并在此基础上进一步原位外延二维超导材料,通过超导近邻效应实现马约拉纳零能模。同时,本项目将利用原子级精确的扫描隧道显微学方法,结合矢量磁场和原位电场调控等技术对异质结中的局域电子结构进行表征和调控,以寻求对马约拉纳零能模的可靠判据。本项目将力求得到一套高可靠性和可重复性的马约拉纳零能模制备和表征方法,从而为未来基于二维材料面内异质结设计拓扑量子比特的技术路线奠定基础。
英文摘要
Building the heterostructures between a low-dimensional semiconductor with strong spin-orbital coupling and a superconductor is one of the mainstream strategies for realizing Majorana zero modes (MZM) nowadays. However, because of the complexity introduced by the multiple physical mechanisms happening at the interface and possible influence of defects, the current experiments based on ex situ device fabrication are still suffering from many problems in the criteria of MZM, the stability of MZM, etc. In this proposal, we plan to grow the in-plane heterostructures between two-dimensional semiconductors, such as group-IV monochalcogenides or transition metal dichalcogenides, by the in-plane molecular beam epitaxy technique, from which atomically sharp nanowire structures with one-dimensional metallic states can be obtained. By the further in situ epitaxy of two-dimensional superconducting materials, MZMs are expected to form due to superconducting proximity effect. Furthermore, we will characterize and tune the MZM states by applying atomically precise scanning tunneling microscopy methods with tunable vector magnetic fields and electric fields, in order to pursue reliable criteria for distinguishing MZMs from complex electronic states. This program will offer highly repeatable and robust methods for fabricating and characterizing MZMs for the future design of topological qubits based on two-dimensional material in-plane heterostructures.
马约拉纳零能模(MZM)的可靠制备技术是制造拓扑量子比特的基础。理论上在半导体纳米线-超导异质结中可实现一维拓扑超导态,进而通过磁场、电场调控制备MZM;但实验上需要对界面质量、材料缺陷密度、材料电子结构等有原子级精确的控制,虽然经过十余年发展,仍是一个颇具挑战性的问题。本项目独辟蹊径地通过分子束外延生长的二维半导体平面异质结来构造一维半导体能带,并拟进一步通过外延超导材料来实现拓扑超导异质结,寻求MZM可靠制备的新路径。本项目取得的主要成果包括:(1)成功制备界面原子级平整、具有涡旋铁电畴的单层SnTe-PbTe二维半导体平面异质结,厘清了界面对电极化方向的调控机制。(2)发现二维半导体PbTe中原子级的厚度变化可引起其半导体能隙的振荡效应,该效应由单原子层的增减导致的晶体对称性变化引发,其机制可以推广到各种低维半导体材料中。(3)利用SnSe与石墨烯衬底间各向异性的摩擦力,实现SnSe纳米片无原子缺陷的“纳米焊接”,为纳米尺度复杂异质结的构造提供了一种新方法。(4)对二维半导体SnSe中原子级缺陷的类型、形成机制进行了系统研究,并实现了通过扫描隧道显微镜针尖操纵缺陷类型转变。(5)在二维平面异质结生长技术的基础上,进一步发展了二维平面超晶格生长技术,并由此设计制备了一类能谷隧道结,通过控制半导体能谷在动量空间中的位置实现隧道结的开关,是一类具有全新原理的隧道结。(6)实现了二维半导体-超导异质结生长并初步观察到了超导近邻效应。项目组共发表SCI论文7篇,其中项目组成员以一作/通讯作者身份发表的3篇。项目负责人在各国际学术会议上做邀请报告5次。项目组出站博士后2人,招收博士生6人。
二维铁磁材料对拓扑绝缘体电子结构的调控效应研究
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批准号:12074038
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2020
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负责人:常凯
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依托单位:
国内基金
海外基金