中国网/中国发展门户网讯 日前，中科院研究网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。6月8日，高鸿钧研究组与靳常青研究组、美国波士顿学院汪自强的合作文章在《自然》杂志上发表。此次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。
据介绍，“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，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。凝聚态物理领域的理论学家预言，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的拓扑量子计算的重要途径。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。
2018年，中科院研究网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铁碲硒单晶样品的磁通涡旋，首次在铁基超导材料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。2020年，他们进一步通过连续可控的改变针尖与铁碲硒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。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。高鸿钧研究团队此次对铁基超导体锂铁砷进行了细致而深入的研究。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。
此次研究主要发现有：
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λ1~2.7 纳米和λ2~24.3 纳米。
锂铁砷双轴电荷密度波区域的表征
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砷-砷方向电荷密度波条纹上，形成有序的涡旋阵列。
磁通涡旋中的马约拉纳零能模
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。
马约拉纳零能模产生机理
此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。
用磁场调控大面积有序的马约拉纳零能模阵列
据悉，该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。
原文链接：http://t.m.china.com.cn/convert/c_DxUb1CEE.html