Science Advances报道王健教授及合作者在二维极限下的高温超导体中发现零能束缚态
量子计算是从单个量子比特出发，通过主动操控量子态，可以解决当前经典计算机无法有效完成的某些重要计算问题，对未来信息技术的走向可能有决定性作用，因此得到当前国际上的广泛关注和重视。这一巨大应用前景激励着世界科技巨头和高技术公司，如谷歌、IBM、微软、因特尔、阿里巴巴、腾讯、百度和许多初创企业投入巨资对其进行研发。欧盟启动10亿欧元的量子旗舰计划，而美国、英国、德国、日本等国家也在量子信息科学领域做了重要战略布局，全球已经进入了所谓的“量子超越”（supremacy）时代。量子计算的最主要问题是如何延长量子比特的退相干时间以及在提高相干量子比特数的同时如何保证每个比特的保真度（fidelity）。也即因退相干效应的存在，量子比特的运算需要更多比特数来纠错。因此，探索可容错的量子计算，也即对环境细节不敏感的拓扑量子计算，就成为最终实现规模化量子计算的重要途径。马约拉纳费米子是反粒子为其自身的特殊费米子，在粒子物理领域一直未曾被观测到。其凝聚态物质中的“对应物”马约拉纳准粒子，在零维受限下表现为马约拉纳零能束缚态或零能模。马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计，具备抗局域干扰和高容错的特性，因被认为是实现拓扑量子比特的基础而倍受重视。基于共振安德列夫反射，马约拉纳零能模在隧穿实验中的典型信号为零能电导峰。理论上预测在与s波超导体近邻耦合的强Rashaba自旋-轨道耦合纳米线、拓扑绝缘体和Fe原子链等体系端点或拓扑点缺陷（磁通涡旋等）上存在马约拉纳零能模。基于这些提案，实验上陆续探测到符合理论预期的零能束缚态。尽管目前马约拉纳零能模的实验证据还不能被所有专家完全接受，每一次相关的实验进展都会引起国际上学界和产业界的广泛关注。然而当前探索马约拉纳零能束缚态所需的微纳加工工艺、极低温与外磁场等条件给马约拉纳零能模可能的应用带来了极大的困难和挑战。近期铁基超导体Fe(Te,Se)块材被证实为具有超导拓扑表面态的材料，或为解决上述问题提供备选思路。然而，其相对偏低的超导转变温度Tc（约15 K）及磁通涡旋的操纵性困难亟需沿该方向进一步优化方案，以探索高温超导体中马约拉纳零能模的可能性。
近期，北京大学物理学院量子材料科学中心王健研究组与波士顿学院汪自强教授、中国科学院物理研究所胡江平研究员等合作，在二维极限下的高温超导体薄膜表面沉积的间隙Fe吸附原子上探测到了符合马约拉纳零能模特征的新奇零能束缚态。王健研究组通过超高真空分子束外延技术，在SrTiO3衬底上成功制备出宏观尺度的单原胞层（厚度小于1纳米）高温超导体FeSe与FeTe0.5Se0.5单晶薄膜，其超导转变温度大约在60 K左右，并通过原位扫描隧道显微镜和隧道谱技术对其中的超导配对机制进行了深入研究（PRL 123, 036801 (2019); Nano Letters 19, 3464 (2019); Nano Letters 20, 2056(2020)）。在此基础上，王健研究组通过分子束外延在单层FeSe与FeTe0.5Se0.5薄膜表面沉积Fe原子（衬底温度约143-155 K，沉积密度约0.002-0.003层）。原位扫描隧道显微镜观测表明沉积的Fe原子处于薄膜上层的Te/Se原子间隙处。由于沉积密度极低，Fe原子以孤立吸附原子形式存在，且吸附位附近无近邻Fe原子团簇。系统的原位超高真空（~10−10 mbar）扫描隧道谱实验发现，对特定的吸附原子/单层FeSe（FeTe0.5Se0.5）耦合强度[数量占比约13% (15%)]，Fe吸附原子上可观测到尖锐的零能电导峰（图1）。该电导峰紧密分布在吸附原子附近，衰减长度~3 Å，且远离吸附原子时不劈裂。变温实验表明，零能电导峰在远低于超导转变温度时即消失，可初步排除Kondo效应、常规杂质散射态等解释（图2A和图2B）。进一步的控制实验和分析显示，零能电导峰半高宽严格由温度和仪器展宽限制、在近邻双Fe原子情形不劈裂、服从马约拉纳标度方程，这些结果均与马约拉纳零能模的唯象学特征吻合（图2C-图2G）。对沉积于单层FeSe薄膜与FeTe0.5Se0.5薄膜上的Fe吸附原子，结果基本相同。相比于单层FeSe，统计结果表明单层FeTe0.5Se0.5上Fe吸附原子中观测到零能束缚态的几率更高且信号更强。波士顿学院汪自强教授和合作者曾在理论上提出，无外加磁场时，强自旋-轨道耦合s波超导体间隙磁杂质可产生量子反常磁通涡旋。理论上如果单层FeSe和FeTe0.5Se0.5由于空间反演对称破缺而具有较强的Rashba自旋-轨道耦合, Fe原子的磁矩局域破坏时间反演对称，可以使量子反常涡旋“承载”马约拉纳零能模。对单层FeSe和FeTe0.5Se0.5有些理论也预测存在拓扑非平庸相。在二维拓扑超导体中，马约拉纳零能模也会产生于Fe原子诱导的量子反常涡旋中的束缚态。因此，实验中观测到的零能电导峰可归因于Fe吸附原子引起的局域量子反常涡旋。更深入、具体的理解还有待于进一步的实验和理论探索。这一工作将探索马约拉纳零能模的超导材料从三维拓展到二维、从低温超导拓展到超过40 K超导转变温度的高温超导体系，同时无需外加磁场，观测到的零能束缚态原则上可操纵、“存活”温度明显提升。这些优势为未来实现可应用的拓扑量子比特提供了可能的方案。
图1. A,B，单层FeSe上Fe吸附原子及其隧穿谱。C，沿A中箭头采集的隧穿谱。D，A中视野采集的零偏压电导面谱。E，沿D中虚线L的的轮廓线及e指数拟合。
图2. A，单层FeTe0.5Se0.5上Fe吸附原子的零能束缚态的变温隧穿谱（空心圆圈），其中实线为4.2 K谱与高温费米函数的卷积谱。插图为单层FeTe0.5Se0.5上Fe吸附原子的原子分辨图。B，从A中提取的零偏压电导Gp随温度的演化。C，零偏压电导峰的半高宽分析。D,E，近邻双Fe原子及其隧穿谱。F，不同隧穿势垒电导GN下的零能束缚态谱。G，马约拉纳标度方程分析。
该工作于2020年3月25日发表于Science Advances（Sci. Adv. 6: eaax7547 (2020)）。北京大学王健教授为通讯作者，北京大学博士生刘超飞、陈澄为共同第一作者。这一工作的理论合作者为波士顿学院汪自强教授和中科院物理所胡江平研究员。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、量子物质科学协同创新中心、中科院卓越创新中心、北京市自然科学基金和美国能源部基础能源科学基金的支持。