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      人民網(wǎng)北京1月5日電 （記者 魏艷）近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授張振宇課題組的博士生秦維在量子材料的理論研究中取得新進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體和馬約拉納費(fèi)米子提出新的可行體系。

      拓?fù)涑瑢?dǎo)體和馬約拉納費(fèi)米子分別是當(dāng)今凝聚態(tài)物理領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。馬約拉納費(fèi)米子是自身的反粒子，服從非阿貝爾量子統(tǒng)計(jì)，因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。理論上，馬約拉納費(fèi)米子可存在于拓?fù)涑瑢?dǎo)體中，例如無(wú)自旋p波超導(dǎo)體的量子磁通渦旋和帶自旋的p波超導(dǎo)體的半量子磁通渦旋周圍都會(huì)存在零能的馬約拉納費(fèi)米子。實(shí)驗(yàn)上，無(wú)爭(zhēng)議地觀察到馬約拉納費(fèi)米子的存在是物理界所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

      幾年前，畢業(yè)于科大少年班、現(xiàn)任教于麻省理工學(xué)院的付亮與其導(dǎo)師美國(guó)科學(xué)家C. Kane首次預(yù)言了可以通過(guò)s波超導(dǎo)體和三維拓?fù)浣^緣體之間的近鄰效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的p波超導(dǎo)體。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)手性的拓?fù)涑瑢?dǎo)體，時(shí)間反演對(duì)稱性必須被打破?；诟读僚cKane的工作，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種由鐵磁絕緣體、強(qiáng)自旋軌道耦合的半導(dǎo)體薄膜和s波超導(dǎo)體組成的三明治異質(zhì)結(jié)，其中近鄰效應(yīng)引入的塞曼場(chǎng)會(huì)破壞時(shí)間反演對(duì)稱性，從而可以實(shí)現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體。這些理論預(yù)言導(dǎo)致凝聚態(tài)物理領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)上觀察馬約拉納費(fèi)米子的研究熱潮，但因?yàn)轶w系復(fù)雜，先期的報(bào)道都存在爭(zhēng)議。如何能在結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的體系中實(shí)現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體并進(jìn)一步觀察到馬約拉納費(fèi)米子，具有廣泛的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用價(jià)值。

      在新發(fā)表的工作中，秦維首次提出通過(guò)在拓?fù)浣^緣體和s波超導(dǎo)體界面稀釋摻雜磁性原子的方法來(lái)打破時(shí)間反演對(duì)稱性，從而可以在一種更為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體。他們的研究證明，適度的磁性原子不僅不會(huì)破壞超導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣體界面的超導(dǎo)，并且還能通過(guò)隸屬于界面拓?fù)鋺B(tài)的庫(kù)珀電子對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程鐵磁有序。由于超導(dǎo)性和鐵磁性的共存，可以通過(guò)溫度誘導(dǎo)的拓?fù)淞孔酉嘧儗?shí)現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體，并進(jìn)一步為馬約拉納費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)探測(cè)提供新的更可行的平臺(tái)，其顯著優(yōu)勢(shì)是集超導(dǎo)、拓?fù)渑c磁性于同一界面。

      上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。相關(guān)研究成果發(fā)表在2014年12月31日的《物理評(píng)論快報(bào)》上。