Identification des modes de Majorana à l'aide du bruit de grenaille à l'échelle atomique – MMNOISE

Il s'est avéré difficile de distinguer les états liés de Majorana (MBS) des états conventionnels sous-bande tels que les états Yu-Shiba-Rusinov (YSR). Les mesures du bruit de courant ont été proposées comme diagnostic permettant de distinguer clairement les modes MBS et YSR. Avant même que les premières signatures expérimentales d'éventuels MBS ne soient rapportées, l'idée que les mesures du bruit pourraient permettre de distinguer les états MBS des états YSR avait été explorée théoriquement. Bien que la géométrie à deux sondes initialement proposée soit difficile à mettre en œuvre expérimentalement, des études ultérieures ont montré que les mesures à sonde unique montrent également un signal nettement différent dans le bruit pour les MBS et les YSR. La distinction entre les signatures provient de la notion selon laquelle les YSR peuvent être interprétés comme une paire de modes Majorana qui sont couplés de manière égale à la pointe du STM, tandis que les MBS sont un mode unique. Cela signifie par exemple que pour le YSR, les deux orientations de spin et le caractère particulaire sont présents, tandis que le MBS a un seul spin et un seul caractère particulaire, ce qui conduit à des processus de tunneling différents et donc à un bruit différent. En particulier, lorsque la réflexion d'Andreev domine le processus de tunneling, le bruit pour un mode YSR devrait être amplifié (F>1), tandis que celui du MBS est égal à celui-ci, voire supprimé (F≤1). De plus, alors que le bruit présente une forte dépendance spatiale pour les modes YSR et les états liés d'Andreev, le bruit du MBS est presque indépendant de l'espace. Compte tenu de la haute résolution spatiale de notre microscope à effet tunnel à bruit de grenaille, cette signature nous permettra de distinguer encore plus clairement les modes MBS des modes YSR et ABS.

Une hypothèse concernant les modes de Majorana s'est concentrée sur les états le long d'un défaut unidimensionnel dans le Fe(Se,Te) supraconducteur. Il a été découvert que le réseau cristallin à gauche et à droite du défaut présente un déphasage de π, comme ce serait le cas pour un mur de domaine structurel. En supposant que l'état supraconducteur présente également un déphasage de π, les états dans la bande interdite ont été considérés comme des modes de Majorana dispersés. À l'aide de notre STM à basse température, nous avons révélé la véritable origine du défaut unidimensionnel et de ses états dans la bande interdite. Après avoir amélioré la fiabilité de la technique permettant de déterminer le déphasage du réseau, nos mesures de près d'une centaine de défauts unidimensionnels différents montrent que le déphasage est en fait en moyenne de π/2. De plus, nous avons observé des états sous-bande similaires sur des défauts de surface sans aucun déphasage et, dans quelques cas, une absence d'états sous-bande sur des défauts présentant un déphasage. Nous démontrons également la capacité à manipuler les défauts unidimensionnels à l'aide du champ électrique entre la pointe et l'échantillon, visualisant directement la présence de tous les atomes de surface sur le défaut. Dans l'ensemble, ces résultats montrent que les défauts ne sont pas des parois de domaine structurelles, mais proviennent de chaînes de débris sous-superficiels à l'échelle atomique, et que les états sont topologiquement triviaux. Ces travaux ont été publiés dans Nature Communications 15, 3774 (2024).

Nous nous sommes ensuite intéressés aux impuretés en fer qui présentaient un état de energie zéro robuste. Cependant, au lieu d'un état unique à zéro, nos expériences mK ont révélé plusieurs états dans la bande interdite. Ceux-ci pouvaient parfois également se trouver à une énergie nulle, mais en modifiant la distance entre la pointe et l'échantillon, nous avons pu les éloigner de zéro, ce qui aurait été impossible pour un mode zéro de Majorana. La possibilité de déplacer les états sous la bande interdite nous a toutefois permis d'étudier l'interaction entre différents états sous la bande interdite. Il est intéressant de noter que la plupart des théories développées pour décrire les états sous la bande interdite reposent sur une hypothèse simplifiée introduite il y a plus de 50 ans : l'impureté magnétique peut être traitée comme un objet classique, un petit aimant à orientation fixe. En décalant l'énergie des états sous-bande, nous montrons qu'ils ne sont pas des objets classiques indépendants, mais qu'ils sont en fait fortement corrélés, ce qui nécessite une description entièrement quantique au-delà du cadre classique conventionnel. Ces résultats ont été publiés dans Nature Communications 15, 8526 (2024).

Enfin, nous avons entamé la dernière étape de notre parcours en mesurant les noyaux de vortex dans Fe(Se,Te). Ces résultats sont pour l'instant encore préliminaire.

Bien que nos résultats sur le défaut 1D et les atomes de fer en excès aient malheureusement montré jusqu'à présent qu'ils sont topologiquement triviaux, les noyaux des vortex pourraient ne pas connaître le même sort. Nous mesurons actuellement le bruit dans les noyaux des vortex de Fe(Se,Te) afin de le découvrir. S'ils s'avèrent effectivement topologiquement non triviaux, nous explorerons la possibilité d'exploiter leur caractère exotique pour approfondir nos recherches.

Par des mesures de bruit du courant électrique à l'échelle atomique, nous établirons sans ambiguité la présence ou l'absence d'états liés de Majorana (MBS) sur des défauts et au coeur de vortex magnétiques dans le composé supraconducteur Fe(Se,Te) dont l’existence fait débat. Des travaux théoriques montrent que le bruit du courant tunnel dans les MBS diffère fondamentalement de celui attendu pour des modes localisés non-topologiques éventuellement présent dans le gap supraconducteur. Des mesures préliminaires de bruit de grenaille sur des états de Shiba (non-topologiques) avec notre microscope à effet tunnel montrent que nous pouvons accéder au régime tunnel approprié, et avoir un rapport signal/bruit suffisant pour effectuer la mesure de manière fiable à fin confirmer les prédictions théoriques. Si les MBS sont effectivement présents dans un ou plusieurs des scénarios proposés, nous procéderons directement à une tentative de lecture et de manipulation des MBS.