8日，《自然》發表了一項關於馬約拉納零能模的重要成果。我國科學家首次在鐵基超導材料鋰鐵砷中成功調控大面積、高度有序的馬約拉納零能模格點陣列。這一成果對實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算具有里程碑意義。
鐵基超導材料鋰鐵砷（LiFeAs）雙軸電荷密度波區域的表徵。 中科院物理所 供圖
中新網北京6月9日電 (記者 孫自法)中國科學院物理研究所(中科院物理所)高鴻鈞院士領導的聯合團隊，最新在鐵基超導材料鋰鐵砷中觀測到大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列，向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步。
這一在馬約拉納零能模研究領域取得里程碑突破的科研成果論文，由中科院物理所高鴻鈞研究組與靳常青研究組、美國波士頓學院教授汪自強合作完成，北京時間6月8日夜間在國際著名學術期刊《自然》上線發表。
馬約拉納零能模產生機理。 中科院物理所 供圖
高鴻鈞表示，他們最新研究的重要意義在於首次實現大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列，並觀測到調控引起的馬約拉納零能模相互作用，為下一步實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎。
什麼是“馬約拉納零能模”？
“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，這是中國古人對世界的認知和理解，表達萬物由簡而繁的構造過程。對物理學家而言，世間萬事萬物都可以拆分，拆分到最後，物理學家們發現所謂的“萬物”，其實都是由60多種基本粒子構成，對這60多種基本粒子及其性質的探索發現，便是物理學家所追求的“道”。
高鴻鈞科普說，這些基本粒子按照統計規律的不同可以劃分為玻色子和費米子兩大類。對於費米子而言，大多數費米子的反粒子與它本身不同，這類費米子被稱為“狄拉克費米子”。還有另一種神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身，這種基本粒子稱為“馬約拉納費米子”，由意大利物理學家埃托雷·馬約拉納1937年理論預言提出，但學界迄今未找到該粒子存在的確切證據。
這項重要成果的中科院物理所科研團隊在實驗室合影。 中科院物理所 供圖
在物理學另一大分支的凝聚態物理領域，理論學家預言，在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的粒子，這種粒子被稱為“馬約拉納准粒子”或“馬約拉納零能模”。馬約拉納零能模的統計規律既不像玻色子，也不像費米子，而是表現為一種獨特的非阿貝爾統計規律，這種准粒子的編織操作被認為是實現容錯拓撲量子計算的重要途徑。
量子計算機遵循量子力學規律，因其處理複雜問題時相比傳統計算機有着巨大的優越性而被公眾所熟知。量子計算的主要挑戰在於量子態很容易受環境的干擾，產生退相干現象，使得計算過程中會不斷地產生錯誤。而由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特可以從原理上解決量子計算無法避免的量子退相干問題，因此引起學界廣泛關注。
用磁場調控大面積有序的馬約拉納零能模陣列。 中科院物理所 供圖
之前有怎樣的研究基礎？
論文共同第一作者、中科院物理所副研究員李更介紹說，在早期馬約拉納零能模載體材料中，比較有代表性的材料體系包括常規超導體近鄰下的半導體納米線、常規超導體表面的磁性原子鏈，以及超導體-拓撲絕緣體界面等。這樣一些材料體系往往存在製備困難、對極低溫的要求較苛刻等問題。
2018年，高鴻鈞團隊與丁洪團隊合作，利用其自主設計組裝的國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯合系統，首次在鐵基超導材料鐵碲硒中觀測到馬約拉納零能模。與之前的材料體系相比，鐵基超導體具有材料簡單和觀測溫度高等優勢，並且可以觀測到純凈的馬約拉納零能模。
隨後，合作團隊針對馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問題，對鐵基超導中的馬約拉納零能模進一步研究，發現馬約拉納零能模存在的微觀物理機制，澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質。
磁通渦旋中的馬約拉納零能模。 中科院物理所 供圖
通過進一步研究，研究團隊2020年觀測到馬約拉納零能模的近量子化電導平台特徵，給出鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據。同時，他們還在鐵磷基超導體的磁通渦旋中以及單個鐵原子上觀測到馬約拉納零能模，極大擴展了馬約拉納零能模載體平台。
不過，這些鐵基超導材料體系，還是存在着組分不均一、磁通渦旋陣列無序且不可控以及馬約拉納零能模佔比低等問題，阻礙了其進一步的研究和應用。
論文通訊作者高鴻鈞院士對科研成果作科普介紹。 中新社記者 孫自法 攝
最新研究主要發現有哪些？
李更指出，如何突破當前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列，向拓撲量子計算更進一步，是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。
最近的本次研究中，合作團隊對鐵基超導體鋰鐵砷進行細緻而深入的研究，他們利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平台和豐富的研究經驗在實驗上發現，應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列。
論文共同第一作者、中科院物理所副研究員李更介紹研究成果。 中新社記者 孫自法 攝
這次研究重大發現的內容主要包括四個方面：
一是晶體中的自然應力可誘導產生雙軸電荷密度波條紋，沿着鐵-鐵和砷-砷晶格方向，其波長分別為2.7納米和24.3納米。
二是波長為24.3納米的電荷密度波對超導能隙具有明顯的調製作用，當施加垂直於樣品表面的磁場后，形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導序較弱的砷-砷方向電荷密度波條紋上，形成有序的渦旋陣列。
三是雙軸電荷密度波的存在使得晶體對稱性降低，從而改變了費米能級附近的拓撲能帶結構，使得超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模，形成高度有序的馬約拉納零能模陣列。
四是這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調控，隨着磁場增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯。
高鴻鈞總結表示，馬約拉納零能模的陣列和相互作用可以被外磁場很好的調控，在固體材料中的馬約拉納零能模編織操作可用於拓撲量子計算。他們的研究發現對於實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算具有里程碑意義，向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步。