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馬約拉納零能模是凝聚態(tài)物理中的一類拓撲非平庸準粒子激發(fā)，因其服從非阿貝爾統(tǒng)計規(guī)律，被認為是構(gòu)筑拓撲量子比特的基本單元。在晶體材料體系中尋找并調(diào)控馬約拉納零能模是實現(xiàn)拓撲量子計算的關(guān)鍵步驟，也是凝聚態(tài)物理前沿研究方向之一。近年來，在拓撲非平庸的鐵基超導體中尋找馬約拉納零能模已經(jīng)取得了長足的進展。與其他體系（如超導-半導體納米線、磁性原子鏈、拓撲絕緣體/超導異質(zhì)結(jié)等）相比，鐵基超導體具有單一組分、高溫超導、本征拓撲等性質(zhì)，避免了復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和極低溫的觀測條件等問題，是研究馬約拉納零能模的理想載體。

自從鐵基超導體拓撲能帶的發(fā)現(xiàn)以來，人們在包括Fe(Te0.55Se0.45)，(Li0.84Fe0.16)OHFeSe，CaKFe4As4，以及雜質(zhì)輔助的LiFeAs中均發(fā)現(xiàn)了馬約拉納零能模。然而這些材料體系存在著由于自摻雜帶來的體態(tài)不均一、渦旋陣列無序且不可控以及拓撲渦旋占比低等問題，阻礙了其進一步的研究和應(yīng)用。如何突破當前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調(diào)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(lǐng)域亟待解決的問題之一。

最近，高鴻鈞研究團隊對鐵基超導體LiFeAs進行了更加細致而深入的研究。他們在實驗上發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力可以誘導出的大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點陣列。其主要發(fā)現(xiàn)有以下幾點。1）晶體中的自然應(yīng)力可誘導產(chǎn)生雙軸電荷密度波（Biaxial CDW）條紋，沿著Fe-Fe和As-As晶格方向，其波長分別為λ1~2.7 nm和λ2~24.3 nm（圖一）。2）波長為λ2的CDW對超導能隙具有明顯的調(diào)制作用,當施加垂直于樣品表面的磁場后，形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導序較弱的As-As方向電荷密度波條紋上，形成有序的渦旋陣列（圖二）。3）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(jié)構(gòu)，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（圖三，圖四）。4）這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調(diào)控，隨著磁場增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯（圖四）。

這些研究結(jié)果表明大面積有序可調(diào)的馬約拉納零能模陣列可以在LiFeAs中穩(wěn)定存在，為實現(xiàn)拓撲量子計算提供了重要的高質(zhì)量研究平臺。相關(guān)成果以“Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally-strained LiFeAs”為題在2022年6月8日于Nature發(fā)表。該工作與美國波士頓學院的Ziqiang Wang教授和物理所靳常青研究員等進行了合作。物理所靳常青和望賢成提供了LiFeAs單晶。博士研究生李萌、副研究員李更和博士曹路為論文共同第一作者，高鴻鈞和Ziqiang Wang為共同通訊作者。該工作得到科技部（2019YFA0308500, 2018YFA0305700, 2017YFA0206303）、國家自然科學基金（61888102, 51991340, 52072401）和中國科學院（XDB28000000, XDB30000000, 112111KYSB20160061, YSBR-003）的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04744-8

圖一：LiFeAs雙軸CDW區(qū)域的表征。

圖二：磁通渦旋中的馬約拉納零能模。

圖三：馬約拉納零能模產(chǎn)生機理。

圖四：用磁場調(diào)控大面積有序的馬約拉納零能模格點陣列。