首次在铁基超导块体中发现马约拉纳任意子丨物理所入选“率先行动”第一阶段成果进展

来源：中科院物理所

自2014年“率先行动”计划实施以来，物理所以深化科技体制改革为动力，坚持以“三个面向”、基本实现“四个率先”为目标，系统谋划和推进研究所“一三五”规划。超导、拓扑、纳米、表面、极端条件等多个学科走在了世界科技最前沿，磁学、光学、先进材料、清洁能源等诸多领域为国民经济发展提供了有力的支撑；除了聚焦基础前沿问题，扎根中关村外，物理所还积极参与北京科创中心怀柔科学城、粤港澳大湾区科创中心松山湖材料实验室以及长三角研究中心建设，为科技强国建设做出了重要的贡献。

近日，在系统梳理“率先行动”计划第一阶段众多科技成果基础上，中科院按照“三个面向”凝练归纳出59项重大科技成果及标志性进展，由中科院物理所主要完成的三项成果同时入选。

今天为大家介绍面向世界科技前沿的“首次在铁基超导块体中发现马约拉纳任意子”成果进展。

01

1937年，意大利理论物理学家Ettore Majorana预言了自旋为1/2的中性费米子，其反粒子是它本身，并认为是一种基本粒子。之后人们把这种神奇的粒子称为马约拉纳费米子，并猜测构成物质世界的基本粒子中的中微子有可能是马约拉纳费米子，但目前尚未得到实验上的证实。马约拉纳费米子不带电荷，理论上认为马约拉纳费米子是由粒子及其反粒子构成。近年来，理论研究表明在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子，被称为“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。当一个马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时，会变成两个马约拉纳任意子，具有奇特的非阿贝尔统计，可用来构造拓扑量子比特，应用于自容错的量子计算机。

量子计算机相较于传统计算机具有更快的运行速度与更大的计算量。然而，制约量子计算机发展的一个重要因素就是传统的量子比特特别容易受到外界环境的干扰而发生退相干，从而导致计算的失败；而基于马约拉纳任意子的拓扑量子计算机对于环境的这种局部扰动有很强的抗干扰能力，自身带有高容错的秉性。因此，在材料中发现马约拉纳任意子对构建高度稳定的量子计算机具有重要意义。

近二十年来凝聚态物理领域涌现出许多激动人心的理论预言以及新奇实验现象。如果我们把宇宙中真实的基本粒子看作是某种量子基态的激发，固体材料中满足同一运动方程的准粒子就可以看作是基本粒子在高阶场（具有空间群对称性的晶体）中的对偶。固体材料中的新奇费米子研究成为了近年来凝聚态物理和拓扑材料领域的一大热点。除了具有真实粒子对应的狄拉克费米子（Na3Bi）、外尔费米子（TaAs）之外，凝聚态物理学家们还在固体材料中发现了超越宇宙对称性保护下存在的奇异准粒子，如沙漏费米子（KHgSb）、三重简并费米子（MoP）等。在此类研究日臻完善的背景下，凝聚态物理中寻找马约拉纳准粒子仍然是一个悬而未决的问题。

02

马约拉纳费米子具有电中性。可以利用超导体准粒子电子空穴混合的性质妥善调制，实现符合马约拉纳费米子行为的准粒子激发。早在2000年左右，理论学家就预言零维的马约拉纳束缚态和一维的马约拉纳手性模式存在于p波超导体中。进一步研究发现零维的马约拉纳束缚态服从非阿贝尔任意子统计（Non-Abelian anyon），可以利用其编织（Braiding）操作构筑拓扑量子比特，对实现拓扑量子计算具有巨大的应用价值。然而p波超导体极易受杂质影响，在实验上实现极为困难。

2008年，宾夕法尼亚大学的Liang Fu（傅亮）和C. L. Kane 开创性地利用超导近邻效应，诱导非简并的狄拉克拓扑表面态打开s波超导能隙（Fu-Kane Model），他们理论论证了马约拉纳束缚态存在于磁通涡旋中。这一可行的实验方案激起了凝聚态领域理论和实验学家的广泛兴趣。随后凝聚态物理学家们在半导体纳米线异质结、磁性原子链异质结、拓扑绝缘体异质结中进行了探索，在拓扑绝缘体异质结和磁性原子链异质结发现了马约拉纳束缚态的证据。然而，这些体系具有复杂的界面效应、极低的温度和超导能隙偏小等限制，这使得马约拉纳束缚态的实验信号与平庸态信号相互混合，不仅降低了实验证据的可信性，也限制了潜在的应用价值。

03

2017年，丁洪研究团队与东京大学等合作，利用超高分辨角分辨光电子能谱，发现了FeTe0.55Se0.45具有较大的超导能隙（Δ）以及很小的费米能（EF），证实了其拓扑表面态的存在，为直接观测马约拉纳束缚态（零能模或任意子）提供了可能的平台（图1）。相关结果发表在Science杂志上（P. Zhang et al., Science 360, 182 (2018)）。

图1. FeTe0.55Se0.45样品表面的拓扑超导表面态

2018年，高鸿钧、丁洪等联合研究团队利用高鸿钧研究组自主设计组装的具国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱（STM/S），精确观测到了FeTe0.55Se0.45单晶样品表面上的超导涡旋。强大的STM/S研究平台和丰富的测量研究经验为STM/S实验研究的顺利开展提供了有力保障。通过对大量样品（百余个）进行低温强磁场STM/S的多次反复测量，成功地在FeTe0.55Se0.45单晶的磁通涡旋中发现了马约拉纳零能模（任意子）。

图2. 在FeTe0.55Se0.45样品表面磁通涡旋中观察到的马约拉纳零能束缚态（任意子，STS谱图）

该工作观察到的马约拉纳零能模与以往发表的实验结果不同，探测到的马约拉纳束缚态峰位不随空间位置变化，实验峰宽接近于系统的能量分辨率。该联合研究团队还验证了马约拉纳束缚态在不同隧道结、磁场以及温度下的行为。理论拟合显示磁通涡旋中的马约拉纳束缚态来源于拓扑表面态超导的准粒子激发。与此同时，体态磁通涡旋线中的准粒子热激发会抑制表面的马约拉纳束缚态。结果表明，实验所观测到的马约拉纳束缚态不与平庸的低能激发态混合。这是首次清晰地观测到了纯净的马约拉纳束缚态。相关结果发表在Science杂志上 (D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。

2019年，高鸿钧、丁洪等联合研究团队利用上述的极低温强磁场STM/S，更加系统深入地研究了马约拉纳零能模的本质特征（电子空穴等价性）。通过连续可控改变针尖与FeTe0.55Se0.45单晶样品之间的距离（相应地改变隧穿耦合强度），观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征。大量的实验研究表明，该近量子化电导平台是受到马约拉纳本征电子/空穴对称性保护的马约拉纳零能模所特有的，其他非零能磁通涡旋束缚态不存在这种电导平台特征。通过设计对照实验，测量到了零磁场超导谱随隧穿耦合强度的变化，超导能隙内外的隧穿电导呈现平庸的单调增长，这排除了量子化弹道输运产生电导平台的可能性。通过对磁通涡旋统计分析，他们发现了近量子化平台电导值的分布规律。进一步分析表明，系统能量展宽和准粒子中毒效应可能是导致平台电导值小于量子化电导2e2/h的影响因素。整个测量过程保证了样品与针尖状态不会发生改变，测量过程可重复。该研究结果证明了近量子化电导平台特征在马约拉纳零能模中普遍存在（图3）。相关结果发表在Science杂志上 (S. Zhu et al., Science 367, 189 (2020))。

图3. 在FeTe0.55Se0.45样品表面磁通涡旋中发现马约拉纳零能束缚态的近量子化电导平台（STS谱图与STM针尖逼近表面示意图）

这些研究结果表明在单一块体超导材料中发现了高纯度的马约拉纳任意子，预示着在其它多带高温超导体中可能实现马约拉纳任意子，为相关研究开辟了新的方向。该马约拉纳零能束缚态能在相对高的温度下实现，且具有纯度高和材料结构简单等特点，不容易受到其它准粒子的干扰，对进一步实现马约拉纳任意子的操纵、编织，并应用于构建稳定的、高容错、可拓展的量子计算机等具有重要意义。相关成果入选2018年度“中国十大科技进展新闻”。