馬約拉納零模(MZMs) 服從非交換統計，被認為是構建拓撲量子位的構建塊。具有拓撲能帶結構的鐵基超導體，已經成為一種很有前途的寄主材料，因為在拓撲渦旋核內已經觀察到量子極限孤立的候選MZMs。然而，這些材料受到了與合金誘導的無序、不可控的渦晶格和拓撲渦旋產率低相關的問題。在此，來自美國波士頓學院的 汪自強 和中國科學院物理研究所的 高鴻鈞院士 等研究者，透過 掃描隧道顯微鏡 / 光譜學 報告了在 自然應變的化學計量LiFeAs 中形成 有序 且 可調諧的MZM晶格 。
相關論文以題為「 Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally strained LiFeAs 」於2022年06月08日發表在 Nature 上。
對馬約拉納激發態的長期探索，得到了最近在材料平台上觀察到的局部MZM實驗進展的支持。在這些平台中，鐵基超導體被認為很有希望觀測到幹凈、健壯的MZMs。FeTe0.55Se0.45是第一個發現具有拓撲表面態的鐵基超導體。大的 Δ 2/ E F比，其中Δ是超導能隙， E F是費米能，使觀察到一個孤立的MZM在拓撲渦旋的中心，在微分電導中表現出接近量子化的平台。隨後，前人研究了化學計量的磷酸鐵化合物，並證實了MZMs在CaKFe4As4和LiFeAs中的存在。最近，有研究者在具有拓撲能帶結構的層狀二維超導體中，觀測到了一維(1D)彌散馬約拉納模和MZMs。然而，這些平台存在合金誘導的無序、不可控的漩渦晶格和低的拓撲漩渦收率，阻礙了其潛在的套用。
在此，研究者透過掃描隧道顯微鏡/光譜學報告了在自然應變的化學計量LiFeAs中形成有序和可調諧的MZM晶格。在應變區觀察到沿Fe-Fe和As-As方向的雙軸電荷密度波(CDW)條紋。渦旋按As-As方向固定在CDW條紋上，形成有序晶格。研究者發現，90%以上的渦旋是拓撲的，並且在渦旋中心具有孤立的MZMs的特征，形成了一個有序的MZM晶格，其密度和幾何形狀可由外部磁場調節。值得註意的是，隨著相鄰渦旋間距的減小，多端面偶極子開始相互耦合。該發現提供了一個可調和有序的MZM晶格作為未來拓撲量子計算平台的途徑。
圖1. 未拉伸區域和拉伸區域的晶體結構、地形影像和超導行為
圖2. 旋渦的d
I
/d
V
圖及0.5 T下的旋渦束縛態分析
圖3. 沿兩個相鄰渦切線的d
I
/d
V
譜和MZMs起源的分析
圖4. 用外部磁場調節MZM晶格
綜上所述，研究者在自然應變LiFeAs表面觀察到了微米尺度的MZM晶格。渦旋被固定在CDWAs-As條紋上，形成有序的Abrikosov渦旋晶格。研究者證明了有序晶格是可被外部磁場調節的，並觀察了在強磁場下MZMs之間的耦合。該研究結果為未來MZMs的操作和編織提供了一個很有前景的平台。采用幹涉測量法實作「只測量編織」演算法，可以得到較大的有序陣列。據悉，這已是汪自強研究員和高鴻鈞院士的又一次合作。果然是強強聯合，必屬精品。
高鴻鈞，中國科學院院士。高鴻鈞與合作者自上世紀九十年代初以來，系統研究了奈米量子系統的構造與物性，取得了一系列具有國際前沿和國際領先水平的工作。首次提出一種提高STM分辨率的新方法，增強了STM觀察表面電子結構的能力，保持了STM發明三十年來對Si(111)7×7表面原子結構的最高分辨。首次在Au(111)表面上構造了具有固定偏心軸的單個分子轉子，實作了大面積有序陣列的組裝並對其轉動行為進行了有效的調控。首次實作了在單個分子層次單自旋量子態的可逆控制及其在超高密度量子資訊儲存中的原理性套用。首次構築了矽烯、鍺烯、鉿烯、硒化銅、二硒化鉑等新型二維原子晶體材料，並研究了其新奇物性，為新材料的進一步套用奠定了基礎。首次在單一鐵基超導塊體材料、相對較高溫度中觀察到高純度的馬約拉納任意子，有望用於構建對環境幹擾免疫的拓撲量子電腦。
二十年來，其相關成果連續被Science News, Nature, Nature Materials，美國物理學會Phys. Rev. Focus和美國能源部Weekly Report等進行研究亮點報道，稱「這是國際上首次在單個分子極限水平上實作的電導轉變」等等。高鴻鈞的相關研究成果三次獲得了由兩院院士推選的「中國十大科技進展/新聞」，發表SCI論文400余篇，參照1萬8千余次。培養博士生和博士後80余名，其中有4名在美國和新加坡的著名大學做教授，10余名在國內著名研究機構或高校做學術帶頭人。在國際/國內重要會議上作大會報告和邀請報告100余次。在國際上，他榮獲了德國「洪堡研究獎」，第三世界科學院「物理獎」，全球華人物理學會「亞洲成就獎」。在國內，他獲得了「陳嘉庚數理科學獎」, 「中國科學院傑出科技成就獎」，「何梁何利科學與技術進步獎」，國家自然科學二等獎等榮譽或獎勵。
文獻資訊
Li, M., Li, G., Cao, L. et al. Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally strained LiFeAs.
Nature
(2022). 10.1038/s41586-022-04744-8
