科学家实现大面积、高度有序和可调控的“马约拉纳零能模‘格点阵列’”

 

马约拉纳费米子是一种神奇的基本粒子，它的反粒子是它自身。在固体材料中的马约拉纳准粒子服从非阿贝尔统计规律，其编织操作可用于拓扑量子计算。中科院物理所高鸿钧研究员带领的联合团队在铁基超导材料锂铁砷中观测到大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。马约拉纳零能模的阵列和相互作用可以被外磁场很好的调控。他们的发现对于实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算具有里程碑的意义。

 

2022年6月8日，中科院物理所的高鸿钧研究组与靳常青研究组、美国波士顿学院的汪自强合作，在《自然》杂志上发表了题为Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally-strained LiFeAs的文章。该工作实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列，向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。在该研究中，李萌、李更和曹路为论文共同第一作者，汪自强和高鸿钧为共同通讯作者。

 

“道生一，一生二，二生三，三生万物”，这是古人对世界的认知和理解，表达了万物由简而繁的构造过程。对物理学家而言，世间万事万物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分为很多的水滴；一个水滴，可以拆分为很多的水分子；一个水分子，可以拆分为两个氢原子和一个氧原子；一个原子，可以进一步拆分为电子、夸克等等微观粒子。拆分到最后，物理学家们发现所谓的“万物”，其实都是由60多种基本粒子构成的。对这60多种基本粒子及其性质的探索发现，便是物理学家所追求的“道”。

 

这些基本粒子按照统计规律的不同可以划分为玻色子和费米子两大类，例如人们所熟知的光子属于玻色子，电子属于费米子，它们都是基本粒子。对于费米子而言，大多数的费米子的反粒子与它本身不同，例如电子的反粒子是正电子，带有一个单位的正电荷。这类费米子被称为“狄拉克费米子”，以著名物理学家保罗•狄拉克命名。

 

还有另一种神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身。这种基本粒子叫做“马约拉纳费米子”。这种“马约拉纳费米子”是由意大利物理学家埃托雷•马约拉纳在1937年理论预言的。然而在其预言后的80多年时间里，粒子物理学家们始终未能在广袤宇宙中找到该粒子存在的确切证据。

 

在物理学的另一大分支—凝聚态物理领域，理论学家预言，在固体材料中可能会出现与马约拉纳费米子类似的粒子，这种粒子被称为“马约拉纳准粒子”，或是“马约拉纳零能模”。马约拉纳零能模的统计规律既不像玻色子，也不像费米子，而是表现为一种独特的非阿贝尔统计规律。这种准粒子的编织操作被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径。量子计算机遵循量子力学规律，因其处理复杂问题时相比传统计算机有着巨大的优越性而被公众所熟知。欧美等国的政府和科技巨头企业也投入了巨大的人力物力和财力发展量子计算。量子计算的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰，产生退相干现象，使得计算过程中会不断地产生错误。而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特可以从原理上解决传统量子计算无法避免的量子退相干问题，引起了研究人员的广泛关注。

 

 

马约拉纳零能模编织示意图

 

在早期马约拉纳准粒子载体材料中，比较有代表性的材料体系包括常规超导体近邻下的半导体纳米线、常规超导体表面的磁性原子链，以及超导体-拓扑绝缘体界面等等。这样一些材料体系往往存在制备困难、对极低温的要求较高等问题。

 

2018年，中国科学院物理研究所高鸿钧研究团队与丁洪研究团队合作，利用其自主设计组装的国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统精确测量了铁基超导体FeTe_0.55Se_0.45单晶样品的超导涡旋，首次在铁基超导中观测到马约拉纳零能模。与之前的材料体系相比，铁基超导体具有材料简单和观测温度高等优势，并且可以观测到纯净的马约拉纳零能模。

 

随后，他们针对马约拉纳零能模只在部分磁通涡旋中存在这一问题，对铁基超导中的马约拉纳零能模进一步研究，发现FeTe_0.55Se_0.45单晶样品表面同时存在两种不同类型的磁通涡旋，马约拉纳零能模只存在于其中一类磁通涡旋中。根据马约拉纳零能模的存在与否，磁通涡旋束缚态的量子化能级序列存在半整数位的偏移。他们给出了FeTe_0.55Se_0.45样品表面马约拉纳零能模存在的微观物理机制，澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质。

 

 

磁场调控马约拉纳零能模耦合

 

2020年，他们进一步通过连续可控的改变针尖与FeTe_0.55Se_0.45单晶样品之间的隧穿耦合强度，观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征，给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据。与此同时，他们还在铁磷基超导体如CaKFe₄As₄单晶表面的磁通涡旋中以及FeTe_0.55Se_0.45单晶表面的单个铁原子上观测到了马约拉纳零能模，极大地扩展了马约拉纳零能模载体平台。

 

然而，这些铁基超导材料体系还是存在着材料组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低等问题，阻碍了其进一步的研究和应用。如何突破当前研究瓶颈，获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列，向拓扑量子计算更进一步，是当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。

 

最近，高鸿钧研究团队对铁基超导体LiFeAs进行了细致而深入的研究。他们利用多年积累的强大的扫描隧道显微镜研究平台和丰富的研究经验在实验上发现，应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。其主要发现有以下几点。1）晶体中的自然应力可诱导产生双轴电荷密度波条纹，沿着Fe-Fe和As-As晶格方向，其波长分别为λ₁~2.7 nm和λ₂~24.3 nm（图一）。2）波长为λ₂的电荷密度波对超导能隙具有明显的调制作用,当施加垂直于样品表面的磁场后，形成的磁通涡旋全部被钉扎在超导序较弱的As-As方向电荷密度波条纹上，形成有序的涡旋阵列（图二）。3）双轴电荷密度波的存在使得晶体对称性降低，从而改变了费米能级附近的拓扑能带结构，使得超过90%的磁通涡旋中心具有马约拉纳零能模，形成高度有序的马约拉纳零能模阵列（图三，图四）。4）这种有序的马约拉纳零能模阵列可被外磁场调控，随着磁场增加，涡旋间距减小，马约拉纳零能模间的相互作用开始凸显（图四）。

 

 

双轴电荷密度波随能量演化

 

铁-铁方向电荷密度波随能量演化

 

这项研究的重要意义在于首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列，并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用，为下一步实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。

 

 

图一：LiFeAs双轴电荷密度波区域的表征

 

 

图二：磁通涡旋中的马约拉纳零能模

 

 

图三：马约拉纳零能模产生机理

 

 

图四：用磁场调控大面积有序的马约拉纳零能模阵列

 

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通俗版

“马约拉纳零能模”科普

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“模”出境界丨首次在铁基超导体中发现马约拉纳任意子专题

 

1937年，物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）把描写费米子的基本运动方程（狄拉克方程）分解成电荷共轭不变的两部分（即马约拉纳方程），得到了“自己是自己的反粒子”的马约拉纳费米子。81年来，马约拉纳费米子的相关研究一直是物理学最前沿的问题之一。

 

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。更神奇的是，当一个马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时，变成两个马约拉纳任意子，具有奇特的非阿贝尔统计，可以用来构造拓扑量子比特，应用于自容错的量子计算机。

 

近期，中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队利用极低温-强磁场-扫描探针显微系统首次在铁基超导体中观察到了马约拉纳零能模，即为马约拉纳任意子。该马约拉纳零能模纯净度高，能在相对更高的温度下得以实现，且材料体系简单。该成果对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。该项研究于2018年8月16日在线发表在《科学》（Science）杂志上。

 

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来源：中国科学院物理研究所