金属化碳纳米线阵列中马约拉纳零模的发现及其量子计算应用前景

《iScience》：Metallated carbon nanowires for potential quantum computing applications via substrate proximity

编辑推荐：香港理工大学团队针对量子计算中马约拉纳零模（MZM）探测难题，创新性地研究了金属化卡拜（metallated carbyne）纳米线阵列。通过优化Mo/Tc/Ru等金属掺杂，获得平均磁矩>1μB的体系，其中Ru掺杂体系展现出周期性磁性和~140meV强自旋轨道耦合（SOC）。当铁磁性的Ru-卡拜纳米线与超导Ru基底耦合时，在Γ点和M点触发能带反转，为碳基材料实现MZM提供了新路径。

　　

量子计算技术的核心挑战在于如何保持量子信息的稳定性，而马约拉纳零模（Majorana zero mode, MZM）因其对环境干扰的强鲁棒性，被视为实现容错量子计算的关键载体。然而现有MZM实现方案均依赖重金属元素的强自旋轨道耦合（SOC），这限制了材料选择范围并增加了制备难度。香港理工大学联合中山大学、香港科技大学的研究团队在《iScience》发表的研究，开创性地探索了轻质碳基材料实现MZM的可能性。

研究团队采用密度泛函理论（DFT）计算系统分析了11种金属（Cu/Ag/Au/Pt/Pd/Rh/Ru/Tc/Mo/Nb/Zr）掺杂的卡拜纳米线。通过CASTEP软件进行几何优化和电子结构计算，结合自旋非限制性GGA-PBE泛函，系统评估了磁矩、居里温度和SOC强度等关键参数。特别针对Ru掺杂体系，还模拟了其与Ru[110]超导基底的耦合效应。

在"非常规磁性"部分，研究发现-[2C-Ru]-、-[2C-Mo]-和-[2C-Tc]-体系表现出突破性磁学特性：局部磁矩>2.5μ_B，平均磁矩>1μ_B，其中Ru体系居里温度达130K。通过电子构型分析揭示，当金属原子d壳层达到半满状态（如Mo的4d⁵）且s壳层存在未成对电子时，可触发最强磁性。

"扭结结构与自旋轨道耦合的作用"部分显示，Ru基底诱导的扭结结构使-[2C-Ru]-平均SOC增强至170meV。无SOC时体系在Γ点出现4-8meV狄拉克间隙；开启SOC后，在Γ点和M点观察到明显的能带反转（band inversion），这是拓扑非平庸态的标志性特征。

讨论部分深入阐释了该体系的四大优势：(1) Ru卡拜纳米线平均磁矩1μ_B，与铁磁体相当；(2) 超导Ru基底（T_c=0.8K）与纳米线间距仅0.3nm，确保强近邻效应；(3) 扭结结构使狄拉克间隙与能带反转共存；(4) 相比重金属体系，碳基材料更易实现原子级规整排列。这些发现为在轻质材料中实现MZM提供了双路径机制：通过SOC调控能带反转或直接利用狄拉克间隙。

该研究首次在碳基材料中同时实现强铁磁性（>1μ_B）、强SOC（~140meV）和拓扑能带反转三大特征，突破了MZM研究必须依赖重金属的传统认知。提出的"金属掺杂+基底调控"策略为量子器件的材料设计开辟了新方向，特别是Ru卡拜纳米线可通过bottom-up法合成，具有较好的实验可行性。未来研究可进一步探索其他4d/5d过渡金属掺杂体系，以及不同晶格取向基底对MZM稳定性的影响。