人民網(wǎng)北京1月5日電 （記者 魏艷）近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室教授張振宇課題組的博士生秦維在量子材料的理論研究中取得新進展，為實現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體和馬約拉納費米子提出新的可行體系。

      拓?fù)涑瑢?dǎo)體和馬約拉納費米子分別是當(dāng)今凝聚態(tài)物理領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點。馬約拉納費米子是自身的反粒子，服從非阿貝爾量子統(tǒng)計，因此可以用來實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎?。理論上，馬約拉納費米子可存在于拓?fù)涑瑢?dǎo)體中，例如無自旋p波超導(dǎo)體的量子磁通渦旋和帶自旋的p波超導(dǎo)體的半量子磁通渦旋周圍都會存在零能的馬約拉納費米子。實驗上，無爭議地觀察到馬約拉納費米子的存在是物理界所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

      幾年前，畢業(yè)于科大少年班、現(xiàn)任教于麻省理工學(xué)院的付亮與其導(dǎo)師美國科學(xué)家C. Kane首次預(yù)言了可以通過s波超導(dǎo)體和三維拓?fù)浣^緣體之間的近鄰效應(yīng)來實現(xiàn)等效的p波超導(dǎo)體。為了進一步實現(xiàn)手性的拓?fù)涑瑢?dǎo)體，時間反演對稱性必須被打破?；诟读僚cKane的工作，人們設(shè)計了一種由鐵磁絕緣體、強自旋軌道耦合的半導(dǎo)體薄膜和s波超導(dǎo)體組成的三明治異質(zhì)結(jié)，其中近鄰效應(yīng)引入的塞曼場會破壞時間反演對稱性，從而可以實現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體。這些理論預(yù)言導(dǎo)致凝聚態(tài)物理領(lǐng)域?qū)嶒炆嫌^察馬約拉納費米子的研究熱潮，但因為體系復(fù)雜，先期的報道都存在爭議。如何能在結(jié)構(gòu)更簡單的體系中實現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體并進一步觀察到馬約拉納費米子，具有廣泛的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用價值。

      在新發(fā)表的工作中，秦維首次提出通過在拓?fù)浣^緣體和s波超導(dǎo)體界面稀釋摻雜磁性原子的方法來打破時間反演對稱性，從而可以在一種更為簡單的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體。他們的研究證明，適度的磁性原子不僅不會破壞超導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣體界面的超導(dǎo)，并且還能通過隸屬于界面拓?fù)鋺B(tài)的庫珀電子對來實現(xiàn)長程鐵磁有序。由于超導(dǎo)性和鐵磁性的共存，可以通過溫度誘導(dǎo)的拓?fù)淞孔酉嘧儗崿F(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體，并進一步為馬約拉納費米子的實驗探測提供新的更可行的平臺，其顯著優(yōu)勢是集超導(dǎo)、拓?fù)渑c磁性于同一界面。

      上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。相關(guān)研究成果發(fā)表在2014年12月31日的《物理評論快報》上。