實現(xiàn)馬約拉納零模和應用其于拓撲量子計算是近年來凝聚態(tài)物理領域的一個重要研究方向。馬約拉納零模可自然地在本征拓撲超導體中實現(xiàn)，如一維p波超導體的兩端或者二維手征p波超導體的渦旋之中，然而遺憾的是自然界中缺乏這樣的本征拓撲超導體材料。2008年Liang Fu和Charles L. Kane在理論上突破性地指出二維p-波超導可利用拓撲絕緣體的表面態(tài)和傳統(tǒng)的s波超導等效地實現(xiàn)，從而當利用磁場產(chǎn)生渦旋之后，可在渦旋之中實現(xiàn)馬約拉納零模。Fu和Kane的理論主要是利用了三維拓撲絕緣體的表面態(tài)是一個二維的狄拉克錐，任一等能面都具有自旋-動量鎖定的特征(見圖1(a))。
近年來，具有時間反演對稱性的三維狄拉克半金屬和外爾半金屬是兩類受到廣泛關注和研究的新興拓撲材料。這兩類材料不管是在體能帶上還是在邊界態(tài)上都非常不同于拓撲絕緣體。在體能帶上，這兩類材料費米面附近的能帶不具有能隙，而是相互接觸在布里淵區(qū)的某些動量點處。而在邊界態(tài)上，這兩類材料的表面態(tài)的等能面是開放的費米弧。不同于拓撲絕緣體的圈形表面態(tài)費米面，每一條開放的費米弧上的自旋可以完全極化(見圖1(b))。由于這些不同，當這兩類拓撲半金屬發(fā)生超導相變，費米弧和s-波超導的結合并不能像在拓撲絕緣體系統(tǒng)里那樣等效地實現(xiàn)二維p-波超導，因而一個很自然的判斷是此類材料中的超導渦旋并不會具有馬約拉納零模。然而，這一看似“自然”的判斷并不成立。
近日，我校物理學院嚴忠波副教授和南方科技大學吳志鋼副研究員、黃文副研究員合作研究發(fā)現(xiàn)當渦旋線的端點處在具有費米弧的表面時，渦旋線的兩端可實現(xiàn)馬約拉納零模。而且，三位研究人員發(fā)現(xiàn)對這兩類拓撲半金屬，伴隨渦旋產(chǎn)生的塞曼劈裂效應可非常顯著地增大保護馬約拉納零模穩(wěn)定性的拓撲能隙，而對拓撲絕緣體，塞曼劈裂效應對拓撲能隙的作用則始終是負面的壓制。此項工作極大地拓展了實現(xiàn)和研究馬約拉納零模的材料。相關的研究工作在線發(fā)表于Physical Review Letters。嚴忠波副教授為該工作第一作者和通訊作者，中山大學為第一單位。
該項研究工作得到國家自然科學基金 (面上項目和青年項目)、廣東省重點地區(qū)研究開發(fā)計劃項目等的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.257001
