我国学者发现多重马约拉纳零能模的证据

　　

图 在不同方向的倾斜磁场下SnTe薄膜中磁通束缚态的空间分布

　　在国家自然科学基金项目（批准号：11861161003、12104293）等资助下，上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所李耀义副教授、贾金锋院士与香港科技大学刘军伟副教授组成联合攻关团队，在拓扑晶体绝缘体的超导磁通涡旋中发现多重马约拉纳零能模存在的关键证据。该成果于2024年8月28日以“单个磁通中多重马约拉纳零能模杂化的特征（Signatures of hybridization of multiple Majorana zero modes in a vortex）”为题发表在《自然》（Nature）杂志。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07857-4。

　　马约拉纳费米子与其反粒子相同，由意大利物理学家马约拉纳（Majorana）于1937年在狄拉克方程的基础上提出。在凝聚态体系中，马约拉纳费米子能够以准粒子的形式存在于拓扑超导体中，以束缚态形式存在的马约拉纳准粒子也被称为马约拉纳零能模，是拓扑量子计算的基础。自2012年起，人们在多种拓扑超导体系中观测到了马约拉纳零能模存在的证据。然而，这些体系中马约拉纳零能模在空间上是分离的，实际操控两个孤立的零能模十分困难。长久以来，理论上虽然预言在拓扑超导体中存在受多种对称性保护的多重马约拉纳零能模，但是一直缺少确凿的实验证据。

　　在本工作中，研究团队制备了大面积、原子级平整的拓扑晶体绝缘体SnTe薄膜与超导体Pb薄膜形成的异质结，系统地研究了SnTe表面的磁通涡旋中零能峰在不同方向磁场下的响应规律。当磁场方向与SnTe表面不平行时，磁通涡旋中零能峰的空间分布呈现明显的不对称劈裂特征；当磁场方向与（010）晶面平行时，零能峰保持其不对称劈裂特征。然而，值得注意的是，当磁场方向与（1-10）晶面平行时，零能峰劈裂消失。实验和数值模拟结果表明，SnTe（001）表面的超导电性由SnTe（001）拓扑表面态主导，磁通中零能峰的这种各向异性磁场响应是受镜面对称性保护的多重马约拉纳零能模独有的特征，无法用普通束缚态或者单个马约拉纳零能模来解释。

　　过去，大部分实验结果均表明马约拉纳零能模在空间上是分离的，多重马约拉纳零能模意味着粒子和反粒子可以在对称性保护下共同存在于同一区域而不发生湮灭，它们之间是否相互作用由对称性是否被破坏来决定，这也是固体物理中准粒子涌现出的新量子特性。这种特性既没有实物粒子相对应，也无法用实物粒子来复刻。

　　该工作不仅从晶体对称性的角度首次发现多重马约拉纳零能模存在的证据，也同时为控制马约拉纳零能模之间的相互作用开辟了新方法，拓展了马约拉纳零能模的种类，未来可能在拓扑超导态的调控和新型拓扑量子比特的构造方面发挥重要作用。