基于单层Fe(Te,Se)实现马约拉纳态的示意图

在凝聚态物理体系中，探寻马约拉纳(Majorana)零能模式是当前的研究热点之一。它遵循非阿贝尔统计，可以用来构建拓扑量子比特，从而实现拓扑量子计算。过去，在实验上实现马约拉纳零能模的主要方法是制造“纳米线-超导体”或者“拓扑绝缘体-超导体”的异质结。然而这些异质结的结构相当复杂，而且常规超导体的转变温度非常低，阻碍了对Majorana零能模的探测和操作。近年来，铁基高温超导体的拓扑性质引起了广泛关注，其中，二维单层Fe(Te,Se)体系具有更高的Tc（最高达40 K）和更好的可调控性，是探寻Majorana零能模的理想体系。

最近，美国宾夕法尼亚州立大学刘朝星教授，维尔茨堡大学吴贤新博士、Ronny Thomale教授，华中科技大学刘鑫教授合作提出，在单层Fe(Te,Se)超导体中，可利用外加平面内磁场实现高阶拓扑超导态，在角上实现Majorana零能模。进一步，通过门电压进行调控，又可以在边界明升手机势畴壁处和二维体内三联点中实现Majorana零能模。具体来说，在单层Fe(Te,Se)超导边界态中，增加磁场可以实现边界的拓扑相变。但是，在不同方向的磁场下，相变点是不同的。从磁场-明升手机势相图中可以看出，垂直于边界(BX)和平行于边界(BY)的拓扑转变点不同。这是因为二者的反带能带具有不同角动量，从而发生边界态的各向异性的磁耦合。

在均匀的面内磁场下，这样相互垂直（或者一定角度）的边界可以处于不同的拓扑态，于是在两个边界相遇的角上实现Majorana零能模，也就实现了高阶拓扑超导态。在这一设想中，只需要普通的s波超导配对，通过旋转磁场即可实现Majorana零能模的操作。因此，该研究不仅表明单层Fe(Te,Se)是一个具有可拓展性和可调节性的实现Majorana的平台，而且还提供了在实际体系中实现高阶拓扑超导的一个一般性的原则。

本研究得到了Office of Naval Research (Grant No.N00014-18-1-2793)和Kaufman New Initiative research grant of the Pittsburgh 基金资助。（来源：明升手机版(明升中国)）

相关论文信息：