特邀综述 | 在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模

来源：两江科技评论

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在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模Search for Majorana zero mode in the magnetic vortex of artificial topological superconductor

Majorana费米子最先由意大利科学家Majorana教授于1937年提出。Majorana费米子是一种特殊的费米子，它的反粒子是其本身。在粒子物理中，中微子被认为是Majorana费米子，但是还没有被实验证实。在过去十几年中，凝聚态物理学家认为可以在固体中构造出性质和Majorana费米子性质类似的准粒子态，即Majorana零能模。与中微子不同，Majorana零能模只局限在固体中，可以看成半个费米子，当两个Majorana零能模靠得很近时，它们的波函数发生重叠，然后形成一个普通的费米子，即电子或者空穴。另外，Majorana零能模被认为有非阿贝尔统计特性，即交换两个Majorana准粒子会引起波函数在Hilbert 空间中发生特殊的相位演化。具有非阿贝尔统计特性的准粒子态是拓扑量子计算的基础，而Majorana零能模则是最简单的具有非阿贝尔统计特性的准粒子态，极为适合用于构建拓扑量子比特，实现可容错的拓扑量子计算。Majorana零能模在量子存储、量子计算方面的重要应用前景，给Majorana费米子的研究增加了极大的吸引力。理论预言Majorana 零能模存在于拓扑超导体中，然而自然界中的拓扑超导体材料极为稀少。随着拓扑绝缘体研究领域的兴起，凝聚态理论学家提出将拓扑绝缘体与常规的s 波超导体材料结合起来，通过超导近邻效应使拓扑表面态发生超导转变，形成拓扑超导，从而在这种异质结中可以形成Majorana 零能模。这种构造拓扑绝缘体/超导体异质结的方法极大地拓展了拓扑超导体材料的选择范围，使实验研究Majorana零能模成为可能。

《物理学报》第13期特邀综述栏目，刊登了上海交通大学贾金锋教授课题组的文章，介绍了课题组近些年在拓扑绝缘体/超导体异质结中通过超导近邻效应实现拓扑超导体和探测Majorana费米子的一系列实验工作和重要突破。Majorana零能模对拓扑量子计算具有极其重要的意义，文章从拓扑超导异质结的制备、磁通态的观察、零能模存在的迹象包括空间分布和自旋极化等方面做了全面而准确的介绍，具有很好的学术价值。

图1 (a) 拓扑超导体5QL Bi2Te3/NbSe2在0.1 T外加磁场下磁通涡旋的零偏压dI/dV映射图；(b) 在磁通涡旋中心用自旋极化的针尖测得的dI/dV谱；(c) 在离磁通涡旋中心10 nm远的地方用自旋极化的针尖测得的dI/dV谱；只有在Majorana束缚态存在的区域，dI/dV谱零偏压电导峰强度才与磁场方向有明显的依赖关系，这是Majorana束缚态存在的一个有力证据。

李耀义，2005年本科毕业于武汉大学物理科学与技术学院，2011年毕业于清华大学物理系, 获博士学位。2011年—2015年，在美国威斯康辛大学密尔沃基分校从事博士后研究。2015年至今在上海交通大学物理与天文学院任特别研究员、博士生导师。致力于利用扫描隧道显微镜及分子束外延联合超高真空系统，在固体表面上进行低维纳米结构的原子级精度的可控生长及其电子结构的表征。在拓扑绝缘体薄膜、一维石墨烯纳米带、零维纳米颗粒等低维纳米结构研究方向中取得一系列原创性的成果。

贾金锋，1987年本科毕业于北京大学物理系，1992年北京大学物理系获博士学位。先后在日本、美国等国研究机构工作5年，之后历任中国科学院物理研究所研究员、清华大学教授。现任上海交通大学讲席教授，上海交通大学低维物理与界面工程实验室学术带头人，博士生导师。在SCI收录的杂志上发表文章250多篇，其中 Science 4篇， Nature Mater. 2 篇，Nature Phys. 3篇， Adv. Mater. 5 篇，Phys. Rev. Lett. 21篇，APL/PRB 40多篇。文章被引用11000多次，被选为2018年Highly cited research (Clarivate Analytics)。