研究背景
随着拓扑量子计算的发展，Majorana零能模因其在拓扑量子比特构筑中的潜力而引起了科学家的广泛关注。Majorana费米子是一种与其反粒子相同的粒子形态，首次由意大利物理学家Majorana于1937年提出。在凝聚态体系中，Majorana费米子能够以准粒子的形式存在于拓扑超导体中，并以束缚态形式存在的Majorana准粒子也被称为Majorana零能模。Majorana零能模由于具有不受局域扰动影响的拓扑保护特性，被认为是拓扑量子计算的理想基础。然而，实现拓扑量子计算需要对Majorana零能模进行精确的操控和相互作用的理解。过去的研究表明，传统拓扑超导体系中的Majorana零能模是空间分离的，因而在实验上难以实现其相互作用的调控。此外，尽管理论上预测了在新的拓扑超导体中存在受各种对称性保护的多重Majorana零能模，但缺乏实验证据阻碍了这一领域的进一步发展。为了解决这些问题，上海交通大学李政道研究所、物理与天文学院贾金锋院士/李耀义团队与香港科技大学刘军伟研究组通力合作，利用分子束外延技术制备了具有优异特性的SnTe/Pb异质结。这些异质结展现出极强的超导近临效应，并通过扫描隧道显微镜等技术手段，首次观测到了多重Majorana零能模在一个单一磁通涡旋中的存在。这种多重Majorana零能模之间的相互作用特性，为研究Majorana零能模的调控提供了新的途径。特别是，研究团队通过改变磁场的方向来破坏或保持晶体对称性，观察到零能峰的劈裂或不劈裂特征，提供了多重Majorana零能模存在的直接证据。
研究亮点
1. 实验首次发现了多重Majorana零能模存在的证据。研究团队利用SnTe/Pb异质结体系，在磁通涡旋中观察到了零能峰的显著特征，表明了Majorana零能模的存在。2. 实验通过改变磁场的方向和强度，研究了零能峰对不同磁场的响应。结果显示，当磁场方向与特定镜面平行时，零能峰不发生劈裂；而当磁场方向与该镜面不平行时，零能峰则出现明显的劈裂特征。这种各向异性的磁场响应是受镜面对称性保护的多重Majorana零能模的独特表现，无法用普通束缚态或者单个Majorana零能模来解释。该研究为利用晶体对称性调控Majorana零能模之间的相互作用提供了新的思路，并拓展了拓扑量子比特的构建方法。
图文解读
图2. 在0.03T垂直磁场时，SnTe薄膜中涡旋束缚态的厚度依赖性。图3. 不平行于SnTe(001)晶面的任何镜像面，在倾斜磁场中的涡旋束缚态。图4. 平行于SnTe (001)晶面的(010)和(1-10)镜像面，在倾斜磁场中的涡旋束缚态图5: 具有低和高能量分辨率的SnTe(001)晶面中，涡旋束缚态的模拟比较。
总结展望
本研究团队通过系统地分析SnTe/Pb异质结中的磁通涡旋，成功揭示了受晶体对称性保护的多重MZM的存在及其相互作用特征。这一发现突破了以往空间分离MZM的限制，表明在单个涡旋中能够实现多重MZM的存在，并通过调节磁场方向来实现它们的杂化。这为拓扑量子计算提供了新的思路和方法，因为控制MZM之间的相互作用是实现量子计算的关键。其次，研究利用倾斜磁场破坏晶体对称性，观察到ZBP的各向异性磁场响应，这种现象不仅验证了多重MZM的存在，还为研究其特性提供了实验依据。与传统MZM不同，这种多重MZM可以在对称性保护下共存，不易发生湮灭，为未来拓扑量子比特的稳定性和操控性奠定了基础。总的来说，该研究不仅扩展了MZM的类型和应用范围，也为实现高效拓扑量子计算提供了新的技术路径。Liu, T., Wan, C.Y., Yang, H. et al. Signatures of hybridization of multiple Majorana zero modes in a vortex. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07857-4
