科學家首次在鐵基超導體中發現馬約拉納任意子

2020-11-25 中國科學院

[video:20180817日超導塊體中發現馬約拉納任意子 對量子計算機應用具有重要意義]

　　近期，中國科學院物理研究所、中國科學院大學高鴻鈞和丁洪領導的聯合研究團隊利用極低溫-強磁場-掃描探針顯微系統首次在鐵基超導體中觀察到了馬約拉納零能模，即馬約拉納任意子。該馬約拉納零能模純淨度高，能在相對更高的溫度下得以實現，且材料體系簡單。該成果對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要意義。相關研究成果於8月16日在線發表在《科學》（Science）上。 

　　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；而基於馬約拉納的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。 

　　在凝聚態物質中，人們在多種系統中嘗試發現馬約拉納費米子，但具有非常大的難度和挑戰性，也是國際科技界激烈競爭的戰略制高點之一。理論上預言在p波超導體的激發態中可以找到馬約拉納費米子，然而至今仍缺少直接證據證明p波超導體的存在。2008年，傅亮等人指出，當把拓撲絕緣體和超導體放在一起時，這個系統就具有類似p波超導體的性質。基於該思想，2012年荷蘭代爾夫特理工大學Kowenhoven研究組，2014年美國普林斯頓大學Yazdani研究組，2015年上海交通大學賈金鋒研究組，2016年丹麥玻爾研究所Marcus研究組，分別宣稱找到了馬約拉納任意子的證據。2017年美國加州大學王康隆、史丹福大學張首晟等人在量子反常霍爾效應體系發現了半個量子電導，提供了馬約拉納費米子的證據。然而，這些馬約拉納任意子/費米子存在的體系都需要構造異質結構，其工藝複雜，並且需要極低溫（小於1K）條件。近期，中國科學院物理研究所丁洪領導的國際合作團隊，首次在鐵基超導體（FeTe0.55Se0.45，Tc=15K）中發現超導拓撲表面態，其中最有力的證據發表在2018年3月的《科學》上。 

　　這次關於馬約拉納零能模探索的重大突破，物理所、國科大高鴻鈞研究組博士研究生王東飛、範朋等與丁洪研究組博士研究生孔令元等，利用高鴻鈞研究組自主設計、集成研製的超高真空-極低溫-強磁場-掃描隧道顯微鏡-分子束外延-低能電子衍射聯合系統，對美國布魯克海文國家實驗室顧根大研究組提供的高質量FeTe0.55Se0.45樣品展開了系列探索，並與美國麻省理工學院的傅亮進行了理論合作。研究發現，在該樣品的磁渦旋中心「點」存在不隨空間位置劈裂的零能束縛態，變溫以及變磁場的數據最終確定位於磁渦旋中心的束縛態即為馬約拉納任意子，並且不與其它的準粒子態混合，馬約拉納成分純度很高。進一步實驗發現該馬約拉納任意子在6T以下磁場以及4K以下溫度都能穩定存在。 

　　這是首次在單一塊體超導材料中發現高純度的馬約拉納任意子，能在相對高的溫度下實現，不容易受到其他準粒子的幹擾。同時，這也預示著在其它的多能帶高溫超導體裡也可能存在馬約拉納任意子，為馬約拉納物理的研究開闢新的方向。該馬約拉納零能模具有高純度、高溫度的特點且結構簡單，更容易實現對馬約拉納任意子的編織操縱，對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要意義。 

　　王東飛、孔令元和範朋為該論文共同第一作者，高鴻鈞、丁洪為共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院的支持。 

　　論文連結 

圖1.FeTe0.55Se0.45樣品表面的磁通渦旋以及在磁通渦旋中心觀察到的零能束縛態

圖2.零能束縛態的空間分布與理論上關於馬約拉納束縛態的空間分布預言一致

圖3.零能束縛態的隧穿電導以來與溫度依賴實驗符合馬約拉納束縛態的相關性質

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