人工微结构科学与技术协同创新中心在探测Majorana费米子方面取得重大突破

日前，南京大学牵头组建的“人工微结构科学与技术协同创新中心”三个成员单位合作在Majorana费米子研究方面取得突破性进展（上海交通大学贾金锋课题组，南京大学李绍春课题组和浙江大学张富春课题组、许祝安课题组）。该团队在国际上首次成功探测到Majorana费米子的零能态和自旋态的双重判据，从而证实了Majorana费米子的存在。相关研究成果以“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor”为题，于2016年06月22日在线发表在Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 116, 257003 (2016)]上。南京大学李绍春教授（青年千人），浙江大学张富春教授和上海交通大学贾金锋教授作为论文的共同通讯作者；上海交大博士研究生孙昊桦与南京大学物理学院博士研究生张凯文为此项研究做出同等贡献。

新闻发布会现场合影：从左至右分别是邢定钰院士（南京大学）、李绍春教授（南京大学）、孙昊桦（上海交大）、贾金锋教授（上海交大）、张富春教授（浙江大学）和刘灿华研究员（上海交大）

Majorana费米子是一类特殊的费米子，它的反粒子为其本身，并且遵从非阿贝尔统计规律。 1937年，意大利物理学家Ettore Majorana在理论上预言了Majorana费米子的存在。随后的80多年里，科学家们一直希望能够在实验上观察到Majorana费米子。中微子被认为是一种可能的Majorana费米子，然而实验上探测中微子的本质异常困难。迄今为止，在实验上还没有真正意义上的观察到了Majorana费米子。在凝聚态物理领域，在某些特殊的材料体系中，Majorana费米子可以以一种准粒子激发的形式存在，被称为Majorana束缚态。研究固体材料中的Majorana费米子具有重要的科学意义和巨大的潜在应用价值。找到Majorana费米子，就能为制造拓扑量子计算机提供可能的材料基础，从而使得实现拓扑量子计算成为可能。

2007年，宾夕法尼亚大学的Fu Liang和C.L. Kane等人从理论上预言了三维拓扑绝缘体和s-波超导体的界面处可以存在磁通诱导的Majorana费米子。随后在全世界范围内掀起了研究Majorana费米子的热潮，理论和实验两方面都有长足的进展。很多课题组都在一维或者二维体系中看到了Majorana费米子存在的一个迹象，即零能态。然而，仅仅通过零能态并不能充分证明Majorana费米子的存在。另一个重要的信息是自旋，只有同时测到了自旋特征，才能够作为证实Majorana费米子存在的判据。2014年，Patrick A. Lee和K. T. Law等人在理论上预言了一维系统中Majorana费米子具有自旋选择性的Andreev 反射效应。受到这个工作的启发，贾金锋课题组把这种效应扩展到二维s波超导和拓扑绝缘体构建的拓扑超导体中，希望在原子尺度观察到磁通中心处的自旋选择性Andreev反射效应。

该工作的难点在于，由于Majorana费米子的自旋信号非常微弱，实验必须在极低的温度（30mK）下才能进行，而且测量需要达到极高的精度。该工作的完成不仅需要先进的实验设备平台，而且需要先进的实验技术。李绍春教授在南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室的支持下搭建的30mK扫描隧道显微镜系统，是目前国际上少有的可以完成这个工作的实验设备，并且承担了该研究工作的全部实验。该工作选择由NbSe₂和Bi₂Te₃界面构建的拓扑超导体作为研究体系，在极低温度（30mK）下，利用自旋极化的扫描隧道显微镜，直接在磁通中心测量Majorana费米子的自旋信息。当针尖的极化方向与外加磁场的方向平行时，得到了隧道电流的”高电导态”, 而当针尖的极化方向与外加磁场的方向反平行时，获得了隧道电流的“低电导态”，如图所示。实验结果完全与张富春教授课题组的理论计算结果吻合，从而证实了Majorana费米子的自旋信息。

图：(a) 利用非自旋极化针尖，在零偏压下获得的Bi₂Te₃ / NbSe₂表面磁通的dI / dV 空间扫描图；(b) 利用自旋极化的针尖在磁通中心获得的dI / dV曲线，红色为针尖极化平行于磁场，黑色为针尖极化反平行于磁场；（3）利用自旋极化的针尖在远离磁通处测量的dI / dV曲线。

此项研究具有重要意义，在国际上首次同时获得了Majorana费米子的零能态和自旋态的双重判据，从而证实了Majorana费米子的存在，将有利于进一步推进拓扑量子计算的研究和发展。同时，该项重要成果是南京大学组建的“人工微结构科学与技术协同创新中心”一个成功的合作典范。6月22日下午，“人工微结构科学与技术协同创新中心”主任邢定钰院士和南京大学李绍春教授出席了在上海召开的研究成果新闻发布会。

此项研究得到了教育部、科技部、自然科学基金委、青年千人计划、微结构物理国家重点实验室开放课题等的经费支持。

相关文章链接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.257003

（人工微结构科学与技术协同创新中心 科学技术处）