手性拓扑超导体理论研究取得进展

2019 年 5 月 12 日 中科院之声

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心(ICQD)张振宇研究组在拓扑量子材料研究中取得新进展，为在二维平台上实现手性拓扑超导体并进一步探测与编织马约拉纳费米子提供了理论基础与可行性体系。该研究成果以Chiral topological superconductivity arising from the interplay of geometric phase and electron correlation 为题，5月6日在线发表于国际期刊《自然-物理》（Nature Physics，DOI: 10.1038/s41567-019-0517-5）。论文三位作者中的前两位是ICQD博士后秦维与博士生李磊强。

马约拉纳费米子的概念源于粒子物理，1937年由马约拉纳提出，其主要特征是自身为自己的反粒子。但历经几十年的研究，粒子物理中是否真的存在马约拉纳费米子仍无定论。近年来，凝聚态物理领域的理论学家预言拓扑超导体中的元激发或缺陷态具有马约拉纳费米子的特征；尤为重要的是，马约拉纳费米子遵从非阿贝尔统计，可作为理想组成单元实现容错拓扑量子计算，因而在当今凝聚态与量子信息领域受到广泛关注。实现拓扑超导体的理论方案主要有两类，一类是基于近邻效应，在常规超导体和拓扑绝缘体组成的异质结界面实现拓扑超导；另一类是实现本征拓扑超导，如通过适当地掺杂将拓扑绝缘体或拓扑平庸的超导体转变为拓扑超导体。这些方案极大地鼓舞了对拓扑超导体的实验探索，然而在马约拉纳费米子的确切实验判据上仍然存在诸多争议。另外，在以往的理论研究中，决定非平庸拓扑性的几何相位和诱导超导性的电子关联都是以“拓扑+超导=拓扑超导”的简单叠加方式处理。从本质上讲，几何相位和多体效应是电子体系同时具有的两种关联属性；在更深层次理解两者之间的相互影响，对于实现拓扑超导体具有重要的物理意义。

在当前的工作中，该团队首次利用泛函重整化群方法在同一基准线上研究了几何相位与电子关联效应间的协同对体系拓扑性和超导性的内在影响。研究的核心结果是，重整化后的几何相位流向三个稳定不动点[图(a)]，不仅有利于实现拓扑非平庸的手性p-波或f-波超导态[图(b)]，相应的超导稳定性也会显著增强。进一步，该团队基于第一性原理计算的结果，预言生长在Ge(111)衬底上的空穴型掺杂的单原子层 Pb₃Bi合金是一种新型二维拓扑超导体系，为实验上探索和编织马约拉纳费米子提供了更为理想的研究平台。该工作中所借助的微观理论模型的普适性，也将推动领域寻找其它新型准二维拓扑超导体系。

值得指出的是，该最新研究成果得益于秦维在ICQD攻读博士学位期间的系统研究，包括借助于近邻效应在拓扑绝缘体和平庸超导体界面稀磁掺杂实现手性拓扑超导[Phys.Rev.Lett. 113,266806(2014)]，以及通过在二维Rashba自旋轨道耦合的平庸超导体中稀磁掺杂诱导拓扑量子相变，以获得本征拓扑超导体[Sci.Rep. 6, 39188(2016)]。

上述研究得到国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的资助。