當半導體納米線與超導體耦合時，它可以被調諧到拓撲量子態(tài)，這種量子態(tài)被認為是被稱為馬約拉納零模(MZM)局域準粒子的宿主。馬約拉納零模是它們自己的反粒子，在拓撲量子計算中有很好的應用前景。

由于粒子-反粒子的等效性，馬約拉納零模在低溫下表現出量子化的電導。雖然在固態(tài)系統中實現馬約拉納零模的理論很多，但實驗實現面臨著非理想化的問題，新的研究成果發(fā)表在《科學》期刊上。

一組跨學科研究人員利用可變隧道耦合掃描隧道光譜研究了超導體渦旋束縛態(tài)的隧道電導。例如，在沒有電子態(tài)的情況下，超導體在能量上有一個“間隙”，所以電子不能隧道進入，而在渦旋線上，磁場會關閉間隙，形成電子態(tài)。研究對FeTe0.55Se0.45超導體的觀察，記錄了零能渦旋束縛態(tài)電導平臺作為隧道耦合的函數，其值接近甚至接近普適量子電導值2e2/h；其中e是電子電荷，h是普朗克常數。

相反，既沒有在有限能量渦旋束縛態(tài)上觀察到平臺，也沒有在超導禁帶外的電子態(tài)連續(xù)體內觀察到平臺，這種零模電導行為支持了FeTe0.55Se0.45晶體中馬約拉納零模的存在。馬約拉納零模(MZM)遵循非阿貝爾統計，即超出通常的費米子或玻色子激發(fā)模式的激發(fā)，在量子計算中起著極其重要的作用。在過去二十年里，物理學家預測了p波超導體和自旋軌道耦合材料中馬約拉納零模被s波超導體近似化（以實現不存在于異質結構的任何組成區(qū)域材料的性質）。

研究人員已經在各種系統中觀察到了馬約拉納零模的實驗證據，包括半導體-超導納米線，拓撲絕緣體-超導體異質結構和超導襯底上的原子鏈。物理學家和材料科學家現在也開發(fā)了全間隙鐵基塊體超導體，作為實現馬約拉納零模的單材料平臺。研究使用掃描隧道顯微鏡/光譜(STM/S)發(fā)現了FeTe0.55Se0.45晶體表面拓撲渦中存在馬約拉納零模的證據。在2e2/h足夠低的溫度下，馬約拉納零模的電導可以呈現量子化平臺；其中e是電子電荷，h是普朗克常數。

這種量子化的馬約拉納零模電導來自完美共振安德列夫反射，這是一種發(fā)生在超導體和正常態(tài)材料之間界面上的粒子散射，由馬約拉納零模固有粒子-空穴對稱性保證?？茖W家們在InSb-Al納米線系統中觀察到了一個量子化的電導平臺，這與馬約拉納零模的存在一致。同樣，通過STM/S實驗獲得具有零偏置電導峰(ZBCP)的鐵基超導體具有很大拓撲帶隙，并且提供了觀察馬約拉納零模量子化電導的可能性，而不受低位Caroli-de Gennes-Matricon束縛態(tài)(CBSS)的污染。

由于前面的實驗前景，目前采用變隧道耦合STM/S方法研究了FeTe0.55Se0.45晶體渦心大范圍尖端-樣品間距的馬約拉納零模電導。掃描隧道顯微鏡(STM)的有效電子溫度為377mK，研究人員通過改變針尖-樣品距離(與隧道勢壘電導相關)來連續(xù)調諧隧道耦合。通過施加垂直于樣品表面的2T(特斯拉)磁場，在渦核觀察到一個尖銳的ZBCP(零偏壓電導峰)。正如預期的那樣，對于量子限制渦旋中的孤立馬約拉納零模，ZBCP沒有在渦核上分散或分裂。在觀測到的ZBCP上進行了隧道耦合測量，通過在拓撲渦的中心添加STM針尖

記錄了一組對應于針尖位置電子態(tài)密度的Di/dV譜，對于不同的針尖-樣品距離。為了檢驗馬約拉納零模的粒子-空穴對稱性，研究比較了零能馬約拉納零模和有限能CBS(Caroli-de Gennes-Matricon束縛態(tài))的電導行為。觀測到有或沒有馬約拉納零模的兩種不同類型拓撲渦旋和普通渦旋，其渦束束縛態(tài)的能級位移為半整數。同時對拓撲渦進行了隧道耦合相關的測量，得到了馬約拉納零模和第一CBS能級。當研究小組在同一位置的零磁場中重復實驗時，觀察到了一個堅硬的超導間隙。

科學家們只在ZBCP中觀察到了電導平臺特征，這表明了馬約拉納零模特有的行為。研究中觀察到的平臺行為也為馬約拉納零模誘導的共振安德列夫反射提供了證據。此后，在電子從正常電極通過勢壘隧道進入超導體的過程中，研究小組觀察到安德列夫反射過程將入射電子轉化為同一電極內的出射空穴。這導致了粒子-空穴希爾伯特空間中的雙勢壘系統。在安德列夫反射通過單個馬約拉納零模的情況下，由于馬約拉納零模粒子-反粒子等效，粒子/空穴分量的相等幅度確保了相同隧道耦合，電子和空穴在同一電極上(Γe=Γh)。

因此，通過單個馬約拉納零模的共振Andreev反射，產生了2e2/h量子化的零偏置電導平臺。相反，低能CBS和其他亞能隙態(tài)不包含馬約拉納零模對稱性，在CBS介導的Andreev反射中電子和空穴之間的關系被打破，導致沒有電導。此外，去除實驗系統中的磁場后，觀測到的渦核零偏置電導平臺消失，不能歸結為量子軌道輸運?？茖W家們在60次測量中重復觀察了ZBCP在許多拓撲渦中的行為。為了了解儀器加寬對馬約拉納電導平臺的影響，科學家們改變了調制電壓(Vmod)。

這使得能夠研究給定拓撲渦旋上馬約拉納電導平臺的Vmod演化。然后通過在掃描隧道顯微鏡中改變隧道耦合來測試該過程的可逆性。發(fā)現，在兩個重復序列之后都可以重現，以表明在測量過程中尖端和樣品沒有不可逆轉的損害。研究小組需要進一步的理論來對實驗的完整理解，因為沒有排除與零偏置電導平臺相關的其他機制。其結果在應用編織算符描述拓撲糾纏或用于拓撲量子計算的通用量子門方面又向前邁進了一步。

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參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aax0274

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