第一篇：Nature——範德華異質結實現2D拓撲超導！

通訊單位：Department of Applied Physics, Aalto University, Espoo, Finland & Computational Physics Laboratory, Tampere University, Tampere, Finland Helsinki Institute of Physics, Helsinki, Finland

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2989-y

背景介紹

拓撲絕緣體、超導體和量子自旋液體等異質態通常很難或不可能在單一材料中實現。例如，目前尚不清楚在任何自然存在的材料中是否都存在拓撲超導，而超導有可能成為基於Majorana 量子位元的構建基塊，從而用於拓撲量子計算，被認為是實現拓撲量子計算的關鍵要素。目前在幾個不同的實驗系統中都報告了Majorana零能量模式（MZM），最突出的例子是具有強自旋軌道耦合和s波超導體近似的鐵磁原子鏈的半導體奈米線。也可以在鄰近的拓撲絕緣體表面或FeTe0.55Se0.45超導體表面的渦旋芯中實現MZM。

在這些情況下，MZM在光譜上被識別為零能量的電導訊號，該訊號位於一維（1D）鏈的末端或渦旋核中。在這些不同平臺上，鑑別Majorana態的證據包括亞帶隙電導峰，且在系統邊界和缺陷處出現的特徵與其拓撲起源一致。但不幸的是，不同的畸變誘發態模仿了Majorana的電導訊號，且目前無法識別這些畸變態。如果可以證明它們的非阿貝爾交換統計或交織，則將證明存在MZM。

研究發現，可透過有選擇地選擇異質結中的材料組合來避免上述問題，以便從不同元件之間的相互作用中產生所需的物理特性。

本文亮點

1、作者將二維（2D）鐵磁體CrBr3與超導體NbSe2結合，設計構造了一種範德華異質結系統，並實現了2D拓撲超導，實現了量子材料設計的兩大進步。

2、該2D範德華異質結系統提供了近乎理想、高質量、可調諧、具有兩個電子級競爭性器件設計結構，可輕鬆地整合到使用拓撲超導的其他器件結構中。

3、本文設計構造的異質結構可與成熟的現有工藝技術相結合，從而製造相關電氣裝置，這意味著朝實際應用邁出了重要一步。

4、層狀的異質結構還可透過各種外部刺激輕鬆訪問，從而有可能透過電、機械、化學物質或光學手段對2D拓撲超導進行外部控制。

圖文解析

▲圖1. CrBr3-NbSe2異質結中拓撲超導的實現

要點：

1、作者使用分子束外延法(MBE)在超導NbSe2上生長2D島狀的鐵磁CrBr3，製造獲得了高質量、無缺陷的範德華異質結。

2、在2D系統中，1D分散的手性Majorana費米子有望被局域在系統邊緣附近。

3、實現並獲得了設計拓撲超導體具有的所有必要要素——磁性、超導性和Rashba自旋-軌道耦合。

4、根據磁化誘導的帶隙M和費米能級μ的位置，系統將進入拓撲相。

5、作者在T = 350 mK的溫度下用掃描隧道光譜（STS）探測到了新興的拓撲超導相。

▲圖2. CrBr3-NbSe2異質結的電子結構

要點：

1、表徵非平凡拓撲相魯棒性的關鍵量是拓撲帶隙Δt，根據實驗結果發現拓撲帶隙Δt≈0.3Δ。

2、感應磁化和自旋軌道耦合使超導體在拓撲上變得不平凡，支援了作者透過STM和STS測量表徵得到的MZM。

3、研究發現當磁化強度足夠強，以將自旋簡併帶之一推到費米能級以上的高對稱點時，就會產生拓撲超導。

4、實驗表明，MZM越過拓撲間隙並與有限子帶隙窗內的體態共存，且與實驗結果一致。

▲圖3. MZM的空間分辨光譜

要點：

1、作者使用低溫STM和STS揭示了1D MZM特徵，並在CrBr3島的邊緣進行了空間分辨dI/dV光譜表徵，看到了磁島內部有明顯的激勵，這意味著MZM在能量高於拓撲帶隙的情況下與Shiba帶共存。

2、此外，作者認為該範德華異質結系統原則上還可以透過對化學勢進行靜電調節來對拓撲相進行電控制。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2989-y

第二篇：Nat. Nanotechnol——石墨烯-金屬異質結增強非線性高達三個數量級

通訊單位：Vienna Centerfor Quantum Science and Technology (VCQ), Faculty of Physics, University ofVienna, Vienna, Austria

DOI: 10.1038/s41565-020-00808-w

背景介紹

透過將光集中到奈米體積中，並透過光譜和空間調控增強其非線性光學過程，可實現強的光-物質耦合機制，這打開了從光學感測到量子技術廣泛應用的大門。具備等離子體激元激發的金屬奈米結構（傳導電子的相干振盪）被廣泛用於增強電磁近場，且對於增強奈米級的非線性光學過程特別重要。儘管可透過宿主導電介質的幾何形狀和光學特性來調製等離激元的某些特性，但在依賴諸如貴金屬之類的傳統等離激元材料的情況下，建立可調諧的等離激元平臺仍然是一個十分艱鉅的挑戰。此外，貴金屬中的等離激元會遭受固有的歐姆損耗，這會限制其壽命和光學非線性。

最近在石墨烯中觀察到的包括三次諧波產生（THG）、四波混頻、光學克爾效應和高次諧波產生等各種非線性光學效應，證實了其內在的強且主動可調的非線性光學響應，石墨烯被認為是一種用於非線性光電應用的特別有前景的奈米材料。儘管將石墨烯的光學非線性相對於樣品中的碳原子數進行歸一化處理相對有效，但其原子稀薄的層狀特性降低了積累大訊號光-物質相互作用的體積。

本文亮點

1、作者製備並證明了石墨烯-絕緣體-金屬異質結構具有異常強的光學非線性，與純石墨烯相比，其THG增強了三個數量級。

2、金屬增強了光耦合到單原子碳層等離激元中的能力，這種石墨烯-絕緣體-金屬異質結構是一種可用於光控和電可調的有前途的奈米光電元件。

3、研究表明，石墨烯等離激元器件可以提供空前強大的非線性，並有可能在單光子水平產生非線性光學效應。

4、透過石墨烯等離子體增強和抑制THG的這些特徵為深亞波長範圍光的放大和控制提供了一條新途徑。

圖文解析

圖1. 柵極可調石墨烯異質結示意圖

作者研究的異質結構由沉積在石墨烯上並由絕緣間隔層隔開、奈米級厚的金奈米帶組成。在該實驗中，金奈米帶起著雙重作用：增強遠場中進入石墨烯的紅外入射光的電場併發射石墨烯表面等離子體。實驗表明，金奈米帶可作為有效的奈米天線，能夠將觀測到的THG強度提高到比純石墨烯高三個數量級。

圖2. 三次諧波訊號的表徵

作者對具有單層h-BN隔離層、W = 200 nm的異質結構、在EF = 0.45 eV、5.5μm光照射、電子溫度約為1,100 K下，測量獲得了有效的非線性χ(3) ≈3.4x10-6，其比純石墨烯的最大值大一個數量級（χ(3) ≈3.9 x10-6，EF = 0.39 eV、5.5μm光照射下）。

圖3. 三階非線性磁化率和門電壓依賴性

隨後，作者透過使用外部施加的門電壓控制石墨烯費米能級（EF）、發現石墨烯等離子體激元可介導光學非線性、可主動調諧增強的非線性訊號證實了THG起源於石墨烯層。而在常規貴金屬等離子體激元中，由於所涉及的載流子密度太大，無法透過門電壓進行實質上的調製，這種程度的可調諧性根本不可能。該系統為高速非線性光電開關和變頻器提供了一條新的途徑。

圖4. 石墨烯等離子體激元在THG中的作用

最後，作者透過實驗揭示了石墨烯等離子體激元在三次諧波訊號中尤其是在改變載流子濃度上的作用。當調諧入射光子波長、模擬預測的載流子濃度情況下，作者進一步觀察到了等離激元特徵的出現，這描述了由金奈米帶激發並限域在金屬下方的聲學石墨烯等離激元。而模擬模擬則顯示了石墨烯表面等離激元極化子似乎直接改變了異質結構的非線性光學響應，將等離子體激元壽命提高五倍將使非線性響應增加一個數量級。而當作者從模型中消除等離子體激元得到的模擬結果將導致與實驗資料結果不一致。這些等離激元激發可能為亞波長尺度光的操縱和放大提供一種新的方法。

作者還觀察到，在不支援聲學石墨烯等離激元的裝置中獲得了最大的場增強（因此獲得了最大的非線性）。作者認為，原則上還可以設計出不同的金屬奈米結構幾何形狀，以同時增強電場併發射石墨烯等離子體激元。此外，這種工程化較小的奈米結構還具有激發較短波長等離子體激元的潛力。本文所有的實驗測量結果均與Rostami等人和Mikhailov的三階非線性電導率模擬結果非常吻合。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00808-w