在國(guó)際物理學(xué)界，馬約拉納費(fèi)米子是由物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）預(yù)言的一種基本粒子，其具有電中性且反粒子是自身。在凝聚態(tài)物理的材料體系中，被拓?fù)淙毕萆鲜`的馬約拉納準(zhǔn)粒子，其產(chǎn)生湮滅算符滿足自共軛關(guān)系，通常呈現(xiàn)出零能電導(dǎo)信號(hào)，被稱為馬約拉納零能模。理論證明，馬約拉納零能模滿足非阿貝爾任意子統(tǒng)計(jì)規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)拓?fù)?a href="http://m.gkl365.com/zixun/search.php?kw=量子計(jì)算" target="_blank">量子計(jì)算的主要路徑之一。
過(guò)去的幾年里，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)高鴻鈞團(tuán)隊(duì)與丁洪團(tuán)隊(duì)合作，利用其自主設(shè)計(jì)組裝的國(guó)際頂尖水平的極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡/譜（STM/S）聯(lián)合系統(tǒng)精確測(cè)量了FeTe0.55Se0.45單晶樣品的超導(dǎo)渦旋，得到了鐵基超導(dǎo)中的馬約拉納零能模的實(shí)驗(yàn)證據(jù)(D. Wang et al., Science 362, 333 (2018))。隨后，他們針對(duì)馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問(wèn)題，對(duì)鐵基超導(dǎo)中的馬約拉納零能模進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)FeTe0.55Se0.45單晶樣品表面同時(shí)存在兩種不同類型的磁通渦旋，根據(jù)馬約拉納零能模的存在與否，磁通渦旋束縛態(tài)的量子化能級(jí)序列存在半整數(shù)位的偏移。他們給出了FeTe0.55Se0.45樣品表面馬約拉納零能模存在的微觀物理機(jī)制，澄清了馬約拉納零能模的拓?fù)浔举|(zhì)(Nature Physics 15, 1181 (2019))。
已有的實(shí)驗(yàn)提供了馬約拉納零能模存在的大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也解釋了馬約拉納零能模存在的微觀物理機(jī)制，但是在新奇物理現(xiàn)象豐富的凝聚態(tài)材料中，仍然需要更強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明零能模信號(hào)來(lái)源于馬約拉納準(zhǔn)粒子，例如，量子化電導(dǎo)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。在固體材料體系中，激發(fā)得到的馬約拉納準(zhǔn)粒子具有本征的粒子-反粒子對(duì)稱性，其電子與空穴的組成成分相等。在超導(dǎo)體材料的測(cè)量中，一個(gè)入射的電子必然會(huì)帶來(lái)一個(gè)反射的空穴。超導(dǎo)體表面馬約拉納零能模的出現(xiàn)使得電子與空穴的隧穿概率相等并發(fā)生Andreev共振反射，產(chǎn)生獨(dú)特的量子化的電導(dǎo)平臺(tái)特征。該特征是馬約拉納零能模存在的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
圖1 FeTe0.55Se0.45表面磁通渦旋中的零能電導(dǎo)平臺(tái)
最近，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)與丁洪團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步合作，利用其極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)STM/S聯(lián)合系統(tǒng)開(kāi)展了相關(guān)研究。他們通過(guò)連續(xù)可控改變針尖與FeTe0.55Se0.45單晶樣品之間的隧穿耦合強(qiáng)度，觀測(cè)到了馬約拉納零能模的近量子化電導(dǎo)平臺(tái)特征（圖1）。大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，該電導(dǎo)平臺(tái)特征是受到馬約拉納本征電子/空穴對(duì)稱性保護(hù)的馬約拉納零能模所特有的，其他拓?fù)淦接沟拇磐u旋束縛態(tài)并不存在這種電導(dǎo)平臺(tái)特征（圖2）。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)測(cè)量排除了超導(dǎo)本身電子態(tài)的影響，也排除了測(cè)量中發(fā)生量子化彈道輸運(yùn)的可能。通過(guò)對(duì)磁通渦旋統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)了平臺(tái)電導(dǎo)值近量子化的分布規(guī)律，并進(jìn)一步分析了可能導(dǎo)致平臺(tái)電導(dǎo)值小于量子化電導(dǎo)2e2/h的影響因素，系統(tǒng)能量展寬和準(zhǔn)粒子中毒效應(yīng)（圖3）。整個(gè)測(cè)量過(guò)程保證了樣品與針尖狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變，測(cè)量過(guò)程可重復(fù)。這一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了平臺(tái)電導(dǎo)特征在馬約拉納零能模中普遍存在。
圖2 馬約拉納零能模的Andreev共振反射
這項(xiàng)研究工作利用STM/S技術(shù)，觀測(cè)到了磁通渦旋中馬約拉納零能模的近量子化電導(dǎo)平臺(tái)特征，給出了鐵基超導(dǎo)體中存在馬約拉納零能模的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為研究馬約拉納零能模和推動(dòng)未來(lái)拓?fù)淞孔佑?jì)算起到了重要的作用。相關(guān)研究結(jié)果于12月12日在《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表。中科院物理所、國(guó)科大博士生朱詩(shī)雨、孔令元、曹路和博士陳輝為共同第一作者，張余洋（國(guó)科大）、丁洪、高鴻鈞為共同通訊作者。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員顧根大提供了高質(zhì)量的單晶樣品，麻省理工學(xué)院教授傅亮提供了理論支持。該工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。
圖3 馬約拉納平臺(tái)電導(dǎo)值的變化規(guī)律
