中科院物理所：首次实现大面积有序可调的马约拉纳零能模阵列

近日，中国科学院物理研究所高鸿钧院士带领的联合团队，首次实现大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列，向拓扑量子计算迈进重要一步。相关成果6月8日发表在《自然》(Nature)。

图片来自《自然》(Nature)

论文共同第一作者为中科院物理所博士研究生李萌、副研究员李更和博士曹路，共同通讯作者为中科院物理所高鸿钧院士和美国波士顿学院教授Ziqiang Wang。中科院物理所靳常青和望贤成提供了实验所需的LiFeAs（锂铁砷）单晶。

从马约拉纳费米子到马约拉纳零能模

“在物理学家眼中，我们的宇宙是由60多种基本粒子构成的。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。”中科院物理所副研究员、论文共同第一作者李更向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示，对于费米子而言，大多数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。”

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

而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基本粒子，即“马约拉纳准粒子”。被束缚在空间特定地方的马约拉纳准粒子具有零能的特征，因此被称为“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。”李更说道。

铁基超导体中的马约拉纳零能模

在晶体材料体系中寻找并调控马约拉纳零能模，是实现拓扑量子计算的关键步骤，也是凝聚态物理前沿研究方向之一。

近年来，在拓扑非平庸的铁基超导体中寻找马约拉纳零能模已经取得长足进展。与其他体系（如超导-半导体纳米线、磁性原子链、拓扑绝缘体/超导异质结等）相比，铁基超导体具有单一组分、高温超导、本征拓扑等性质，避免了复杂的材料结构设计、极低温的观测条件等问题，是研究马约拉纳零能模的理想载体。

“我们实验的核心是围绕铁基超导体中的马约拉纳零能模，而马约拉纳零能模的存在起源于铁基超导体的特殊的拓扑能带结构。相关的理论最早由物理所的方忠研究员课题组和胡江平研究员课题组提出并不断发展。”李更向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者说道，“在他们理论工作的指引下，我们在2018年证实了第一种铁基超导马约拉纳材料平台--铁碲硒。在铁碲硒中，我们首次观测到了磁通涡旋中心的马约拉纳零能模。经过五年多的探索，我们找到了能实现马约拉纳零能模阵列的铁基超导体锂铁砷(LiFeAs)。”

李更表示，值得一提的是，无论是铁基超导体超导电性的研究，还是铁基超导体拓扑能带结构的研究，中国科学家均是走在世界最前沿。铁基超导体中的马约拉纳零能模，这是一条从理论到实验均由中国科学家开辟的研究领域。

大面积有序可调的马约拉纳零能模阵列

自从铁基超导体拓扑能带的发现以来，科学家在多种铁基超导体中（如CaKFe4As4、杂质辅助的LiFeAs）均发现了马约拉纳零能模。然而这些材料体系存在着由于自掺杂带来的体态不均一、涡旋阵列无序且不可控，以及拓扑涡旋占比低等问题，阻碍了其进一步研究和应用。

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。

图一：LiFeAs双轴电荷密度波区域的表征，图片来自中科院物理所

此次，高鸿钧和李更等研究人员对铁基超导体LiFeAs进行了深入研究。通过实验，他们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格点阵列。应力是指物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，物体内各部分之间产生相互作用的内力，可以抵抗前述外因作用，并试图使物体从变形后位置恢复到变形前位置。

图二：磁通涡旋中的马约拉纳零能模，图片来自中科院物理所

前述研究的主要发现可概括为以下四个方面：一、晶体中的自然应力可诱导产生双轴电荷密度波条纹，沿着铁-铁和砷-砷晶格方向，其波长分别为2.7纳米和24.3纳米（如图一所示）；二、波长为24.3纳米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砷-砷方向电荷密度波条纹上，形成有序的涡旋阵列（如图二所示）；

图三：马约拉纳零能模产生机理，图片来自中科院物理所

三、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（如图三、四所示）；四、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（如图四所示）。

图四：用磁场调控大面积有序的马约拉纳零能模格点阵列，图片来自中科院物理所

基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算

量子计算机遵循量子力学规律，在处理特定复杂问题时，相比传统计算机有着巨大的优越性。因此，欧美等多国政府和科技企业纷纷投入财力发展量子计算。

2020年12月，中国科学技术大学潘建伟院士团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了我国的“量子优越性”，即对于特定任务，量子计算机可以解决，而现存的任何经典计算机运用任何已知算法，都不能在一个可接受的时间内完成。

随着量子计算的发展，如何开发出实用量子计算机成为该领域的重要研究问题之一。但量子计算的主要挑战在于量子系统无法和环境完全分隔，因此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和积累错误。“由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特，可以从原理上解决量子计算无法避免的量子退相干问题，这是拓扑量子计算这种途径的优势所在。”李更向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者说道。

此次中科院物理所团队的研究结果表明，大面积有序可调的马约拉纳零能模阵列可以在LiFeAs中稳定存在，为实现拓扑量子计算提供了重要的高质量研究平台。

图片来自中科院物理所

“我们的成果为实现马约拉纳零能模的操纵提供了很好的平台，但是离真正实现拓扑量子计算，还是有很长的路要走。” 李更表示，未来中科院物理所团队会在已有高质量平台的基础之上，尝试对马约拉纳零能模进行编织操作，进一步实现拓扑量子比特，以此构造拓扑量子计算机。“这期间还有很多从‘0’到‘1’的基础研究与技术难关需要突破。”