高鸿钧/丁洪Science：铁基超导中发现马约拉纳边界态证据！

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马约拉纳费米子是建造量子计算机的最完美的粒子，长期以来，科学界从未停止对马约拉纳边界态的追寻，就是因为对量子计算的期待。实现马约拉纳费米子的一种实现方式，就是通过拓扑材料，包括拓扑绝缘体或拓扑超导体。

中国在高温超导领域一直是世界的领跑者。2016年，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室王征飞教授与美国犹他大学刘锋教授，清华大学薛其坤院士、马旭村研究员，中科院物理所周兴江研究员合作，首次发现了铁基高温超导材料FeSe/SrTiO3中的一种新型一维拓扑边界态。

2018年8月17日凌晨，Science在线发表了中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室高鸿钧和丁洪团队关于铁基超导中发现马约拉纳边界态证据的最新成果。

图1. FeTe0.55Se0.45的能带结构和漩涡核心

研究人员利用扫描隧道谱学技术观测铁基超导FeTe0.55Se0.45的超导狄拉克表面态，发现了涡漩核心存在尖锐的零偏峰，即便从旋涡中心移走，峰也不会分裂。这个峰在不同的磁场、温度以及隧道势垒下的演化和马约拉纳边界态保持一致，和非拓扑边界态完全不同。

总之，这项研究为在高温下实现和操纵马约拉纳边界态提供了广阔的平台。

作者简介：

简介:

丁洪，现为中国科学院物理所研究员，北京凝聚态国家实验室常务副主任和首席科学家。1990年毕业于上海交通大学，于1995年获美国伊利诺伊大学芝加哥分校的物理博士。1995年9月至1998年8月在美国阿贡国家实验室作博士后。1998年9月至2008年5月在美国波士顿学院大学物理系历任助理教授、副教授、正教授。

主要研究方向:

主要用角分辨光电子能谱研究新奇超导体和强关联电子材料的电子结构和电子激发性质。

过去的主要工作及获得的成果:

主要利用角分辨光电子能谱（ARPES） 研究高温超导体和拓扑材料的电子结构和物理机理，取得了多项国际同行认可的重要成果，特别是在铜基高温超导体赝能隙、铁基超导体超导序参量对称性、外尔费米子在固体材料中的发现中做出了开创性的工作。发表了200多篇学术论文，其中高端杂志文章62篇 （《Nature》5篇，《Nature Physics》4篇，《Nature Communications》6篇,《Physical Review Letters》41篇，《Physical Review X》5篇，《PNAS》1篇），被SCI引用超过11000次，H-引用指数为53，在国际学术会议作邀请报告超过90次。1995年获美国威斯康星同步辐射中心的阿拉丁光源奖，1999年获美国的斯隆奖，2003获美国波士顿学院杰出科研成就奖，2005年获中国国家杰出青年科学基金B类，2008年入选首批国家“##计划”，2010年获中国侨界“创新人才”贡献奖，2011年被选为美国物理学会会士，2014年获汤森路透中国引文桂冠奖和科研团队奖。

目前的研究课题及展望:

1、对铁基超导体做进一步系统的研究，争取在超导机理方面取得重要的成果。

2、开展对拓扑量子材料、铜基超导体、重费米子材料的研究。

3、通过原位薄膜生长和测量，努力实现界面超导研究的突破。

4、研制世界一流的仪器设备。

高鸿钧，男，1963年8月生，1994年北京大学理学博士，现为中科院物理研究所研究员，博士生导师，副所长。国家973计划咨询专家组成员，国际真空科学、技术与应用联合会（IUVSTA）纳米科学委员会主席，美国Appl. Phys. Lett.杂志副主编。曾在美国和欧洲的著名科研单位做访问教授和学术顾问。国家杰出青年基金获得者和国家基金委优秀群体学术带头人。2011年当选中国科学院院士，2012年当选发展中国家科学院院士。荣获了2011荣获2012年度“何梁何利基金科学与技术进步奖”，2010年德国“洪堡研究奖”，2009年第三世界科学院“物理奖”，2008年全球华人物理学会“亚洲成就奖”和“国家自然科学奖”二等奖等。

主要研究方向:

未来信息科学中的基本物理问题；纳米量子结构及其操控；有机功能分子及其复合纳米体系的组装；扫描隧道显微术在量子结构构造中的应用；石墨烯材料、物理与器件。

过去的主要工作及获得的成果:

在纳米体系的构造、结构表征与物性研究中，高鸿钧及其研究团队做出了一系列在国际上有影响力的工作。(1) 在超高密度信息存储材料与特性的研究方面实现了单个分子尺度上的超高密度信息存储。该项研究从1996年始至今一直持续居国际前沿地位，相关工作在2000年被美国物理学会选为Phys. Rev. Focus和Science News的研究亮点， 称其为“奔向下一代的CD (Toward the next generation CD)；其后Nature Materials和 Nature Nanotechnology相继亮点报道了进一步的稳定的、重复的、超高密度信息存储的工作，“在国际上首次在单个Rotaxane类分子水平上实现的稳定的超高密度信息存储”。(2) 在STM成像机制方面，通过改进STM针尖，在国际上首次用STM同时清晰地分辨出Si(111)7×7表面单胞中的所有原子，显示了自STM发明20年以来最高分辨的Si(111)7×7表面的STM图像，理论计算揭示了通过对STM针尖的修饰改进，可以获得表面纳米结构中更加精细的电子结构信息。(3) 在不同金属表面成功制备了高度有序的、连续的、单晶石墨烯（graphene）薄膜；观测到石墨烯的量子特性，研究了石墨烯的输运性质，并利用这种单层石墨烯作为模板控制原子和分子量子结构。石墨烯方面的研究成果2009年被Nature Nanotechnology等作为研究亮点报道。

目前的研究课题及展望:

正在进行有关纳米电子材料与器件的制备与表征，纳米信息器件的构造与物性的基础研究，承担国家“973”、“863”、基金委重点和重大国际合作的项目，研究课题有：

1. 纳米电子器件基本功能单元的构造与物性；

2. 超高密度信息存储/分子存储的材料、技术及相关物理问题；

3. 有机-无机复合体系自组织结构的实验与生长动力学；

4. UHV-STM研究固体表面纳米结构及其在表面上的自组织生长；

5. 低维生物体系的制备与物性；

6. 高质量石墨烯材料制备，物性及其器件。

参考文献：

Dongfei Wang, Lingyuan Kong, Peng Fan, Hong Ding, Hong-Jun Gao et al. Evidence for Majorana bound states in an iron-based superconductor. Science 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/15/science.aao1797?rss=1

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什么是马约拉纳费米子？
马约拉纳费米子的历史可以追溯到 1928年，物理学家狄拉克通过狄拉克方程指出：宇宙中的每个基本粒子都有一个相对的反粒子，如反电子对应的“正电子”，其质量、自旋等与正常的负电子相同，但是所带电荷为正。1932年，美国加州理工学院的安德森等人宣告，他们发现了正电子。


1937 年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）对狄拉克方程进行了修正，认为：应当存在一种费米子，其反粒子为其本身。这种粒子就被称为“马约拉纳费米子”（Majorana fermions）。


正因为反粒子为其本身，因此科学家认为每个马约拉纳费米子本质上就是半个亚原子粒子，所以一个量子比特的信息可以用两个相距甚远的马约拉纳费米子存储，这样就不太可能有什么因素同时干扰它俩、让它们携带的信息丢失。换言之，马约拉纳费米子是理想的量子计算材料。


而另一方面，现有的量子物理认为宇宙中可能存在三种类型的费米子，即狄拉克（Dirac）费米子、外尔（Weyl）费米子和马约拉纳（Majorana）费米子。
在费米子家族中，大家所熟知的电子、质子、中子等粒子都是狄拉克费米子，而在凝聚态材料中外尔费米子也在2015年被中国科学家和美国科学家同时独立地观测到，仅马约拉纳费米子还未正式被确切证实。


激烈角逐
寻找马约拉纳（Majorana）费米子已经是基础物理学最热门的探索之一。
因此各路科学豪杰展开激烈的角逐。其中，华人科学家在这个发现马约拉纳费米子的科技竞赛中大展身手，发挥着重要作用。


2016年初，上海交通大学贾金锋教授研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组，南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮教授等合作的研究团队，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据, 在人造拓扑超导体中用自旋极化扫描隧道显微镜对马约拉纳费米子进行的探测。结果证明了文献中理论预言的由马约拉纳费米子引起的自旋选择性的隧穿。




2017年7月，洛杉矶分校的王康隆教授，斯坦福大学的物理学家张首晟，UCLA的何庆林和上海科技大学寇煦丰等人在Science上发文，通过对拓扑超导体（由拓扑量子反常霍尔绝缘体（QAHI）薄膜和超导（SC）薄膜构成的混合一维器件，外加电磁场调控的实验，并由电导测量证明了磁场调控下的拓扑超导体QAHI/SC结中存在半量子化电导平台，被认为是一维手性马约拉纳费米子的关键证据。

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近期，中国科学院物理研究所、中国科学院大学高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队利用极低温-强磁场-扫描探针显微系统首次在铁基超导体中观察到了马约拉纳零能模，即马约拉纳任意子。该马约拉纳零能模纯净度高，能在相对更高的温度下得以实现，且材料体系简单。该成果对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。相关研究成果于8月16日在线发表在《科学》（Science）上。

　　1937年，意大利理论物理学家Ettore Majorana预言了自旋为1/2的中性费米子，其反粒子是它本身，并认为是一种基本粒子。之后人们把这种神奇的粒子称为马约拉纳费米子，并猜测构成物质世界的基本粒子中的中微子有可能是马约拉纳费米子，但目前尚未得到实验上的证实。马约拉纳费米子不带电荷，理论上认为马约拉纳费米子是由粒子及其反粒子构成。近年来，理论研究表明在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子，被称为“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。当一个马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时，会变成两个马约拉纳任意子，具有奇特的非阿贝尔统计，可用来构造拓扑量子比特，应用于自容错的量子计算机。

　　量子计算机相较于传统计算机具有更快的运行速度与更大的计算量。然而，制约量子计算机发展的一个重要因素就是传统的量子比特特别容易受到外界环境的干扰而发生退相干，从而导致计算的失败；而基于马约拉纳的任意子的拓扑量子计算机对于环境的这种局部扰动有很强的抗干扰能力，自身带有高容错的秉性。因此，在材料中发现马约拉纳任意子对构建高度稳定的量子计算机具有重要意义。

　　在凝聚态物质中，人们在多种系统中尝试发现马约拉纳费米子，但具有非常大的难度和挑战性，也是国际科技界激烈竞争的战略制高点之一。理论上预言在p波超导体的激发态中可以找到马约拉纳费米子，然而至今仍缺少直接证据证明p波超导体的存在。2008年，傅亮等人指出，当把拓扑绝缘体和超导体放在一起时，这个系统就具有类似p波超导体的性质。基于该思想，2012年荷兰代尔夫特理工大学Kowenhoven研究组，2014年美国普林斯顿大学Yazdani研究组，2015年上海交通大学贾金锋研究组，2016年丹麦玻尔研究所Marcus研究组，分别宣称找到了马约拉纳任意子的证据。2017年美国加州大学王康隆、斯坦福大学张首晟等人在量子反常霍尔效应体系发现了半个量子电导，提供了马约拉纳费米子的证据。然而，这些马约拉纳任意子/费米子存在的体系都需要构造异质结构，其工艺复杂，并且需要极低温（小于1K）条件。近期，中国科学院物理研究所丁洪领导的国际合作团队，首次在铁基超导体（FeTe0.55Se0.45，Tc=15K）中发现超导拓扑表面态，其中最有力的证据发表在2018年3月的《科学》上。

　　这次关于马约拉纳零能模探索的重大突破，物理所、国科大高鸿钧研究组博士研究生王东飞、范朋等与丁洪研究组博士研究生孔令元等，利用高鸿钧研究组自主设计、集成研制的超高真空-极低温-强磁场-扫描隧道显微镜-分子束外延-低能电子衍射联合系统，对美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究组提供的高质量FeTe0.55Se0.45样品展开了系列探索，并与美国麻省理工学院的傅亮进行了理论合作。研究发现，在该样品的磁涡旋中心“点”存在不随空间位置劈裂的零能束缚态，变温以及变磁场的数据最终确定位于磁涡旋中心的束缚态即为马约拉纳任意子，并且不与其它的准粒子态混合，马约拉纳成分纯度很高。进一步实验发现该马约拉纳任意子在6T以下磁场以及4K以下温度都能稳定存在。

　　这是首次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子，能在相对高的温度下实现，不容易受到其他准粒子的干扰。同时，这也预示着在其它的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子，为马约拉纳物理的研究开辟新的方向。该成果具有高纯度、高温度且结构简单，更容易实现对马约拉纳任意子的编织操纵，对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。

　　王东飞、孔令元和范朋为该论文共同第一作者，高鸿钧、丁洪为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。

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丁洪，现为中国科学院物理所研究员，北京凝聚态国家实验室常务副主任和首席科学家。1990年毕业于上海交通大学，于1995年获美国伊利诺伊大学芝加哥分校的物理博士。1995年9月至1998年8月在美国阿贡国家实验室作博士后。1998年9月至2008年5月在美国波士顿学院大学物理系历任助理教授、副教授、正教授。

2008年，他辞去在美国波士顿学院的终身教授职位回国。

丁洪团队利用角分辨光电子能谱（ARPES） 研究高温超导体和拓扑材料的电子结构和物理机理，取得了多项国际同行认可的重要成果，特别是在铜基高温超导体赝能隙、铁基超导体超导序参量对称性、外尔费米子在固体材料中的发现中做出了开创性的工作。

图片来源：新华网

在博后期间，丁洪博士就曾发表2篇Nature，在铜氧化合物超导体中发现赝能隙。2008年在铁基超导体中首次观察到s-波超导序参量，2015年首次利用同步辐射在固体材料中发现外尔费米子，这项重大成果入选了美国《物理》评选的2015年国际物理学8大标志性成果、英国《物理世界》评选的2015年国际物理学十大突破、和中国科技部评选的2015年中国科学十大进展。今年3月，他们还在Science发表了关于铁基超导体的表面拓扑超导现象的研究。

8月20-23日在瑞典斯特哥尔摩召开的欧洲先进材料年会上，丁洪研究员获得了欧洲先进材料成果奖(European Advanced Materials Award)。

1937年，物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）把描写费米子的基本运动方程（狄拉克方程）分解成电荷共轭不变的两部分（即马约拉纳方程），得到了“自己是自己的反粒子”的马约拉纳费米子。八十一年来，马约拉纳费米子的相关研究一直是物理学最前沿的问题之一。高能物理领域一直在寻找中微子是马约拉纳费米子的实验证据，如果证实，将是继发现希格斯波色子后的又一重大发现。

2014年，丁洪研究组通过对强关联铁基超导体FeTe0.55Se0.45进行能带表征，实验发现了狄拉克锥表面态的初步迹象（P. Zhang et al., APL 105, 172601 (2014)）。随后他们与物理所方忠、戴希研究组合作从理论计算上表明这一能带反转具有拓扑非平庸的性质（Z.-J. Wang et al., Phys. Rev. B 92, 115119 (2015)）。与此同时，物理所胡江平研究组计算发现单层Fe(Te, Se)薄膜也可发生拓扑非平庸能带反转（X.-X. Wu et al., Phys. Rev. B 93, 115129 (2016)），之后丁洪研究组发现了相关实验证据（X. Shi et al., Sci. Bull. 62, 503 (2017)）。

2017年，华人科学家张首晟在整个物理学界历经80年的探索之后，他们终于发现了手性Majorana费米子的存在。同年丁洪研究组与日本东京大学合作，利用超高分辨角分辨光电子能谱证实了拓扑表面态的存在并研究了拓扑能带的性质（P. Zhang et al., Science 360, 182 (2018)）。实验发现拓扑表面态具有较大的超导能隙（Δ）以及很小的费米能（EF），这使得拓扑非平庸的单一材料、较高的本征超导温度、较强的电子关联等要求在FeTe0.55Se0.45单一材料中有机的结合起来，为清晰干净地直接观测马约拉纳束缚态提供了基础。