随着拓扑量子计算的兴起，Majorana零能模（MZM）因其在拓扑量子比特中的潜力而备受关注。然而，传统拓扑超导体系中的MZM由于空间分离，难以实现其相互作用的调控。
近期，上海交通大学和香港科技大学的研究团队通过先进的异质结制备技术，成功在单一磁通涡旋中观测到了多重MZM的存在，为拓扑量子计算的研究提供了全新视角。
Majorana费米子是一种与其反粒子相同的特殊粒子形态，1937年由意大利物理学家Majorana提出。在凝聚态物理中，Majorana费米子以准粒子的形式存在于拓扑超导体中，被称为Majorana零能模。由于MZM具有不受局域扰动影响的拓扑保护特性，被认为是构筑拓扑量子比特的理想基础。
然而，实现有效的拓扑量子计算需要对MZM的精确操控和理解。尽管理论预测在新的拓扑超导体中可能存在受各种对称性保护的多重MZM，但实验上缺乏足够的证据。这一研究领域的瓶颈一直阻碍着拓扑量子计算的发展。
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合作，利用分子束外延技术成功制备了SnTe/Pb异质结。这些异质结展现出极强的超导近临效应，首次在单一磁通涡旋中观测到了多重MZM的存在。
通过扫描隧道显微镜技术，研究团队在不同磁场方向下，观察到了零能峰（ZBP）的劈裂或不劈裂特征，这为多重MZM的存在提供了直接证据。
图1：SnTe/Pb异质结构的形貌和超导电性
图1展示了SnTe/Pb异质结构的表面形貌和在不同温度下的超导电性。
图2：SnTe薄膜中涡旋束缚态的厚度依赖性
图2显示了在0.03T垂直磁场下，SnTe薄膜中的涡旋束缚态表现出明显的厚度依赖性。
图3：磁场方向与镜面对称性影响下的涡旋束缚态
图3展示了在不平行于SnTe(001)晶面的镜像面时，倾斜磁场中的涡旋束缚态的变化。
图4：镜面对称性保护下的零能模特征
图4展示了在平行于SnTe(001)晶面的镜像面时，零能峰的独特表现。
图5：涡旋束缚态模拟与实验结果的对比
图5通过模拟比较，展示了在不同能量分辨率下，SnTe(001)晶面中涡旋束缚态的行为。
这项研究不仅在实验上首次证明了多重MZM的存在，还通过磁场方向调控，实现了MZM之间的相互作用调节。这一发现突破了以往MZM空间分离的限制，为拓扑量子比特的构建提供了新的技术路径。
通过利用晶体对称性保护，研究团队成功避免了MZM的湮灭现象，为未来拓扑量子计算提供了稳定的基础。随着这些技术的不断发展，拓扑量子计算有望在未来的计算机科学中占据重要地位。
论文地址：
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
