研究背景
隨著拓撲量子計算的發展，Majorana零能模因其在拓撲量子比特構筑中的潛力而引起了科學家的廣泛關注。Majorana費米子是一種與其反粒子相同的粒子形態，首次由意大利物理學家Majorana于1937年提出。在凝聚態體系中，Majorana費米子能夠以準粒子的形式存在于拓撲超導體中，并以束縛態形式存在的Majorana準粒子也被稱為Majorana零能模。Majorana零能模由于具有不受局域擾動影響的拓撲保護特性，被認為是拓撲量子計算的理想基礎。然而，實現拓撲量子計算需要對Majorana零能模進行精確的操控和相互作用的理解。過去的研究表明，傳統拓撲超導體系中的Majorana零能模是空間分離的，因而在實驗上難以實現其相互作用的調控。此外，盡管理論上預測了在新的拓撲超導體中存在受各種對稱性保護的多重Majorana零能模，但缺乏實驗證據阻礙了這一領域的進一步發展。為了解決這些問題，上海交通大學李政道研究所、物理與天文學院賈金鋒院士/李耀義團隊與香港科技大學劉軍偉研究組通力合作，利用分子束外延技術制備了具有優異特性的SnTe/Pb異質結。這些異質結展現出極強的超導近臨效應，并通過掃描隧道顯微鏡等技術手段，首次觀測到了多重Majorana零能模在一個單一磁通渦旋中的存在。這種多重Majorana零能模之間的相互作用特性，為研究Majorana零能模的調控提供了新的途徑。特別是，研究團隊通過改變磁場的方向來破壞或保持晶體對稱性，觀察到零能峰的劈裂或不劈裂特征，提供了多重Majorana零能模存在的直接證據。
研究亮點
1. 實驗首次發現了多重Majorana零能模存在的證據。研究團隊利用SnTe/Pb異質結體系，在磁通渦旋中觀察到了零能峰的顯著特征，表明了Majorana零能模的存在。2. 實驗通過改變磁場的方向和強度，研究了零能峰對不同磁場的響應。結果顯示，當磁場方向與特定鏡面平行時，零能峰不發生劈裂；而當磁場方向與該鏡面不平行時，零能峰則出現明顯的劈裂特征。這種各向異性的磁場響應是受鏡面對稱性保護的多重Majorana零能模的獨特表現，無法用普通束縛態或者單個Majorana零能模來解釋。該研究為利用晶體對稱性調控Majorana零能模之間的相互作用提供了新的思路，并拓展了拓撲量子比特的構建方法。
圖文解讀
圖2. 在0.03T垂直磁場時，SnTe薄膜中渦旋束縛態的厚度依賴性。圖3. 不平行于SnTe(001)晶面的任何鏡像面，在傾斜磁場中的渦旋束縛態。圖4. 平行于SnTe (001)晶面的(010)和(1-10)鏡像面，在傾斜磁場中的渦旋束縛態圖5: 具有低和高能量分辨率的SnTe(001)晶面中，渦旋束縛態的模擬比較。
總結展望
本研究團隊通過系統地分析SnTe/Pb異質結中的磁通渦旋，成功揭示了受晶體對稱性保護的多重MZM的存在及其相互作用特征。這一發現突破了以往空間分離MZM的限制，表明在單個渦旋中能夠實現多重MZM的存在，并通過調節磁場方向來實現它們的雜化。這為拓撲量子計算提供了新的思路和方法，因為控制MZM之間的相互作用是實現量子計算的關鍵。其次，研究利用傾斜磁場破壞晶體對稱性，觀察到ZBP的各向異性磁場響應，這種現象不僅驗證了多重MZM的存在，還為研究其特性提供了實驗依據。與傳統MZM不同，這種多重MZM可以在對稱性保護下共存，不易發生湮滅，為未來拓撲量子比特的穩定性和操控性奠定了基礎。總的來說，該研究不僅擴展了MZM的類型和應用范圍，也為實現高效拓撲量子計算提供了新的技術路徑。Liu, T., Wan, C.Y., Yang, H. et al. Signatures of hybridization of multiple Majorana zero modes in a vortex. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07857-4
