自2014年「率先行動」計劃實施以來，物理所以深化科技體制改革為動力，堅持以「三個面向」、基本實現「四個率先」為目標，系統謀劃和推進研究所「一三五」規劃。超導、拓撲、納米、表面、極端條件等多個學科走在了世界科技最前沿，磁學、光學、先進材料、清潔能源等諸多領域為國民經濟發展提供了有力的支撐；除了聚焦基礎前沿問題，紮根中關村外，物理所還積極參與北京科創中心懷柔科學城、粵港澳大灣區科創中心松山湖材料實驗室以及長三角研究中心建設，為科技強國建設做出了重要的貢獻。
近日，在系統梳理「率先行動」計劃第一階段眾多科技成果基礎上，中科院按照「三個面向」凝練歸納出59項重大科技成果及標誌性進展，由中科院物理所主要完成的三項成果同時入選。
今天為大家介紹面向世界科技前沿的「首次在鐵基超導塊體中發現馬約拉納任意子」成果進展。
01
1937年，義大利理論物理學家Ettore Majorana預言了自旋為1/2的中性費米子，其反粒子是它本身，並認為是一種基本粒子。之後人們把這種神奇的粒子稱為馬約拉納費米子，並猜測構成物質世界的基本粒子中的中微子有可能是馬約拉納費米子，但目前尚未得到實驗上的證實。馬約拉納費米子不帶電荷，理論上認為馬約拉納費米子是由粒子及其反粒子構成。近年來，理論研究表明在凝聚態物質中也可能存在遵守馬約拉納性質的準粒子，被稱為「固體宇宙」中的馬約拉納費米子。當一個馬約拉納費米子被束縛在一「點」上時，會變成兩個馬約拉納任意子，具有奇特的非阿貝爾統計，可用來構造拓撲量子比特，應用於自容錯的量子計算機。
量子計算機相較於傳統計算機具有更快的運行速度與更大的計算量。然而，制約量子計算機發展的一個重要因素就是傳統的量子比特特別容易受到外界環境的幹擾而發生退相干，從而導致計算的失敗；而基於馬約拉納任意子的拓撲量子計算機對於環境的這種局部擾動有很強的抗幹擾能力，自身帶有高容錯的秉性。因此，在材料中發現馬約拉納任意子對構建高度穩定的量子計算機具有重要意義。
近二十年來凝聚態物理領域湧現出許多激動人心的理論預言以及新奇實驗現象。如果我們把宇宙中真實的基本粒子看作是某種量子基態的激發，固體材料中滿足同一運動方程的準粒子就可以看作是基本粒子在高階場（具有空間群對稱性的晶體）中的對偶。固體材料中的新奇費米子研究成為了近年來凝聚態物理和拓撲材料領域的一大熱點。除了具有真實粒子對應的狄拉克費米子（Na3Bi）、外爾費米子（TaAs）之外，凝聚態物理學家們還在固體材料中發現了超越宇宙對稱性保護下存在的奇異準粒子，如沙漏費米子（KHgSb）、三重簡併費米子（MoP）等。在此類研究日臻完善的背景下，凝聚態物理中尋找馬約拉納準粒子仍然是一個懸而未決的問題。
02
馬約拉納費米子具有電中性。可以利用超導體準粒子電子空穴混合的性質妥善調製，實現符合馬約拉納費米子行為的準粒子激發。早在2000年左右，理論學家就預言零維的馬約拉納束縛態和一維的馬約拉納手性模式存在於p波超導體中。進一步研究發現零維的馬約拉納束縛態服從非阿貝爾任意子統計（Non-Abelian anyon），可以利用其編織（Braiding）操作構築拓撲量子比特，對實現拓撲量子計算具有巨大的應用價值。然而p波超導體極易受雜質影響，在實驗上實現極為困難。
2008年，賓夕法尼亞大學的Liang Fu（傅亮）和C. L. Kane 開創性地利用超導近鄰效應，誘導非簡併的狄拉克拓撲表面態打開s波超導能隙（Fu-Kane Model），他們理論論證了馬約拉納束縛態存在於磁通渦旋中。這一可行的實驗方案激起了凝聚態領域理論和實驗學家的廣泛興趣。隨後凝聚態物理學家們在半導體納米線異質結、磁性原子鏈異質結、拓撲絕緣體異質結中進行了探索，在拓撲絕緣體異質結和磁性原子鏈異質結髮現了馬約拉納束縛態的證據。然而，這些體系具有複雜的界面效應、極低的溫度和超導能隙偏小等限制，這使得馬約拉納束縛態的實驗信號與平庸態信號相互混合，不僅降低了實驗證據的可信性，也限制了潛在的應用價值。
03
2017年，丁洪研究團隊與東京大學等合作，利用超高分辨角分辨光電子能譜，發現了FeTe0.55Se0.45具有較大的超導能隙（Δ）以及很小的費米能（EF），證實了其拓撲表面態的存在，為直接觀測馬約拉納束縛態（零能模或任意子）提供了可能的平臺（圖1）。相關結果發表在Science雜誌上（P. Zhang et al., Science 360, 182 (2018)）。
圖1. FeTe0.55Se0.45樣品表面的拓撲超導表面態
2018年，高鴻鈞、丁洪等聯合研究團隊利用高鴻鈞研究組自主設計組裝的具國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜（STM/S），精確觀測到了FeTe0.55Se0.45單晶樣品表面上的超導渦旋。強大的STM/S研究平臺和豐富的測量研究經驗為STM/S實驗研究的順利開展提供了有力保障。通過對大量樣品（百餘個）進行低溫強磁場STM/S的多次反覆測量，成功地在FeTe0.55Se0.45單晶的磁通渦旋中發現了馬約拉納零能模（任意子）。
圖2. 在FeTe0.55Se0.45樣品表面磁通渦旋中觀察到的馬約拉納零能束縛態（任意子，STS譜圖）
該工作觀察到的馬約拉納零能模與以往發表的實驗結果不同，探測到的馬約拉納束縛態峰位不隨空間位置變化，實驗峰寬接近於系統的能量解析度。該聯合研究團隊還驗證了馬約拉納束縛態在不同隧道結、磁場以及溫度下的行為。理論擬合顯示磁通渦旋中的馬約拉納束縛態來源於拓撲表面態超導的準粒子激發。與此同時，體態磁通渦旋線中的準粒子熱激發會抑制表面的馬約拉納束縛態。結果表明，實驗所觀測到的馬約拉納束縛態不與平庸的低能激發態混合。這是首次清晰地觀測到了純淨的馬約拉納束縛態。相關結果發表在Science雜誌上 (D. Wang et al.,Science362, 333 (2018))。
2019年，高鴻鈞、丁洪等聯合研究團隊利用上述的極低溫強磁場STM/S，更加系統深入地研究了馬約拉納零能模的本質特徵（電子空穴等價性）。通過連續可控改變針尖與FeTe0.55Se0.45單晶樣品之間的距離（相應地改變隧穿耦合強度），觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特徵。大量的實驗研究表明，該近量子化電導平臺是受到馬約拉納本徵電子/空穴對稱性保護的馬約拉納零能模所特有的，其他非零能磁通渦旋束縛態不存在這種電導平臺特徵。通過設計對照實驗，測量到了零磁場超導譜隨隧穿耦合強度的變化，超導能隙內外的隧穿電導呈現平庸的單調增長，這排除了量子化彈道輸運產生電導平臺的可能性。通過對磁通渦旋統計分析，他們發現了近量子化平臺電導值的分布規律。進一步分析表明，系統能量展寬和準粒子中毒效應可能是導致平臺電導值小於量子化電導2e2/h的影響因素。整個測量過程保證了樣品與針尖狀態不會發生改變，測量過程可重複。該研究結果證明了近量子化電導平臺特徵在馬約拉納零能模中普遍存在（圖3）。相關結果發表在Science雜誌上 (S. Zhuet al.,Science367, 189 (2020))。
圖3. 在FeTe0.55Se0.45樣品表面磁通渦旋中發現馬約拉納零能束縛態的近量子化電導平臺（STS譜圖與STM針尖逼近表面示意圖）
這些研究結果表明在單一塊體超導材料中發現了高純度的馬約拉納任意子，預示著在其它多帶高溫超導體中可能實現馬約拉納任意子，為相關研究開闢了新的方向。該馬約拉納零能束縛態能在相對高的溫度下實現，且具有純度高和材料結構簡單等特點，不容易受到其它準粒子的幹擾，對進一步實現馬約拉納任意子的操縱、編織，並應用於構建穩定的、高容錯、可拓展的量子計算機等具有重要意義。相關成果入選2018年度「中國十大科技進展新聞」。
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