一种纯相超细InAs–Al纳米线的制造方法

文章亮点

首次在极细的InAs纳米线上原位外延生长出超导铝薄膜，并观察到硬超导能隙和双电子库仑阻塞等现象。通过调节纳米线的直径，为未来研究马约拉纳零能模打开了一个新的实验维度。

图1. 纯相超细InAs–Al纳米线的微结构及输运性质。上图（从左至右）：InAs–Al纳米线结构示意图、高阶环形暗场透射电镜图像、EDS成分面扫图及高分辨透射电镜图像。下图（从左至右）：在InAs–Al纳米线隧穿量子器件中观察到硬超导能隙和由安德列夫束缚态诱导的零偏压电导峰，在InAs–Al纳米线库仑岛器件中实现双电子周期的库仑阻塞以及库仑阻塞峰从双电子到单电子的磁场演变。

用于拓扑量子器件的纯相超细InAs–Al纳米线原位分子束外延

研究背景

半导体–超导复合纳米线有望实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算。理论上，半导体纳米线可看作具有强自旋轨道耦合的一维电子系统，而超导通过近邻效应提供配对势。在特定的电场和磁场情况下，该系统在数学上等价于Kitaev Chain模型，并在纳米线的两端产生两个马约拉纳零能模。在过去十年中，这一领域的深入研究主要聚焦于如何获得更干净平整的半导体–超导界面，从而得到高质量的超导近邻效应，输运上体现为硬超导近邻能隙，纳米线直径大部分维持在100纳米左右。这个直径导致半导体内多个一维的子能带被占据，致使Kiteav Chain物理图像更加复杂。而直径更细的纳米线会带来更大的子能带间距以及更少的占据数，甚至有望达到单一子能带占据的极限。

内容简介

最近，中国科学院半导体研究所赵建华、潘东团队生长出超细的InAs–Al纳米线，其中InAs纳米线直径最细可达20纳米以下。细纳米线的另一优势反映在晶体质量上，该团队前期的实验结果表明直径低于约48纳米的InAs线为纯相单晶，而超出此直径范围的纳米线在结构上往往体现为纤锌矿和闪锌矿两相交替，并伴随有大量层错和孪晶缺陷，从而成为拓扑量子器件中杂质的一个重要来源。在量子器件制备和输运测量方面，该团队与清华大学物理系张浩课题组合作，在基于纯相的细InAs–Al纳米线中展示了硬超导近邻能隙和双电子库仑阻塞等实现拓扑量子计算的必要前提条件。此外，观察到的安德列夫束缚态诱导的零偏压电导峰也为下一步纳米线的生长和器件的优化提供了有益的反馈。

研究意义和重要性

该实验工作首次在材料生长上（辅以输运表征）探索了马约拉纳纳米线研究的一个新的实验维度——更细的纳米线直径，为接下来实现单一子能带占据（从准一维到一维）的纳米线系统做了铺垫。最近，上述联合团队在优化后的纯相超细InAs–Al纳米线中观察到了准量子化电导平台，特别是首次观察到接近量子化的零偏压电导谷到零偏压电导峰的转变[arXiv:2107.08282]。此外，还依据清华大学物理系刘东等人的理论预言，制备出基于纯相超细InAs–Al纳米线的马约拉纳量子耗散器件，有效地过滤掉由缺陷引发的平庸安德烈夫束缚态。该器件结构有助于更高效地寻找马约拉纳零能模的相关信号[Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 076803]。

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原文标题：用于拓扑量子器件的纯相超细InAs–Al纳米线原位分子束外延

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审核编辑：汤梓红