在凝聚态物理体系中，探寻马约拉纳(Majorana)零能模式是当前的研究热点之一。它遵循非阿贝尔统计，可以用来构建拓扑量子比特，从而实现拓扑量子计算。过去，在实验上实现马约拉纳零能模的主要方法是制造“纳米线-超导体”或者“拓扑绝缘体-超导体”的异质结。然而这些异质结的结构相当复杂，而且常规超导体的转变温度非常低，阻碍了对Majorana零能模的探测和操作。近年来，铁基高温超导体的拓扑性质引起了广泛关注，其中，二维单层Fe(Te，Se)体系具有更高的Tc（最高达40K）和更好的可调控性，是探寻Majorana零能模的理想体系。
最近，美国宾夕法尼亚州立大学刘朝星教授，维尔茨堡大学吴贤新博士、Ronny Thomale教授，华中科技大学刘鑫教授合作提出，在单层Fe(Te，Se)超导体中，可利用外加平面内磁场实现高阶拓扑超导态，在角上实现Majorana零能模（下图b）。进一步，通过门电压进行调控，又可以在边界化学势畴壁处和二维体内三联点中实现Majorana零能模（下图c，d）。
基于单层Fe(Te，Se)实现马约拉纳态的示意图：(b)两个垂直边界的角上；(c)边界上化学势畴壁；(d)二维体态中的三节。(e) Fe(Te，Se)晶格结构。
具体来说，在单层Fe(Te，Se)超导边界态中，增加磁场可以实现边界的拓扑相变（下图a-c）。但是，在不同方向的磁场下，相变点是不同的。从磁场-化学势相图（下图d）中可以看出，垂直于边界(BX)和平行于边界(BY)的拓扑转变点不同。这是因为二者的反带能带具有不同角动量，从而发生边界态的各向异性的磁耦合（下图e）。在均匀的面内磁场下，这样相互垂直（或者一定角度）的边界可以处于不同的拓扑态（下图f中的粉色区域），于是在两个边界相遇的角上实现Majorana零能模，也就实现了高阶拓扑超导态。
边界拓扑相变和各向异性的磁耦合。（001）边界能谱随着面内磁场的演化：(a) BX=0,(b) BX=1.4meV和(c) BX=2.8meV。(d)磁场-化学势相图。(e)磁劈裂随着磁场方向的函数。(f)磁场方向-化学势相图。粉色（蓝色）区域中，两个垂直边界处于不同（相同）拓扑态，因此能（不能）产生马约拉纳态。
在这一设想中，只需要普通的s波超导配对，通过旋转磁场即可实现Majorana零能模的操作。因此，该研究不仅表明单层Fe(Te，Se)是一个具有可拓展性和可调节性的实现Majorana的平台，而且还提供了在实际体系中实现高阶拓扑超导的一个一般性的原则。
该研究得到了Office of Naval Research (Grant No.N00014-18-1-2793)和Kaufman New Initiative research grant of the Pittsburgh基金资助。
原文刊载于【国家科学评论】公众号
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