實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模和應(yīng)用其于拓?fù)淞孔佑?jì)算是近年來(lái)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。馬約拉納零?？勺匀坏卦诒菊魍?fù)涑瑢?dǎo)體中實(shí)現(xiàn)，如一維p波超導(dǎo)體的兩端或者二維手征p波超導(dǎo)體的渦旋之中，然而遺憾的是自然界中缺乏這樣的本征拓?fù)涑瑢?dǎo)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(dǎo)可利用拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)和傳統(tǒng)的s波超導(dǎo)等效地實(shí)現(xiàn)，從而當(dāng)利用磁場(chǎng)產(chǎn)生渦旋之后，可在渦旋之中實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模。Fu和Kane的理論主要是利用了三維拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)是一個(gè)二維的狄拉克錐，任一等能面都具有自旋-動(dòng)量鎖定的特征(見(jiàn)圖1(a))。

近年來(lái)，具有時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的三維狄拉克半金屬和外爾半金屬是兩類(lèi)受到廣泛關(guān)注和研究的新興拓?fù)洳牧稀＿@兩類(lèi)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?fù)浣^緣體。在體能帶上，這兩類(lèi)材料費(fèi)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(dòng)量點(diǎn)處。而在邊界態(tài)上，這兩類(lèi)材料的表面態(tài)的等能面是開(kāi)放的費(fèi)米弧。不同于拓?fù)浣^緣體的圈形表面態(tài)費(fèi)米面，每一條開(kāi)放的費(fèi)米弧上的自旋可以完全極化(見(jiàn)圖1(b))。由于這些不同，當(dāng)這兩類(lèi)拓?fù)浒虢饘侔l(fā)生超導(dǎo)相變，費(fèi)米弧和s-波超導(dǎo)的結(jié)合并不能像在拓?fù)浣^緣體系統(tǒng)里那樣等效地實(shí)現(xiàn)二維p-波超導(dǎo)，因而一個(gè)很自然的判斷是此類(lèi)材料中的超導(dǎo)渦旋并不會(huì)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(xué)院嚴(yán)忠波副教授和南方科技大學(xué)吳志鋼副研究員、黃文副研究員合作研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)渦旋線(xiàn)的端點(diǎn)處在具有費(fèi)米弧的表面時(shí)，渦旋線(xiàn)的兩端可實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模。而且，三位研究人員發(fā)現(xiàn)對(duì)這兩類(lèi)拓?fù)浒虢饘?，伴隨渦旋產(chǎn)生的塞曼劈裂效應(yīng)可非常顯著地增大保護(hù)馬約拉納零模穩(wěn)定性的拓?fù)淠芟?，而?duì)拓?fù)浣^緣體，塞曼劈裂效應(yīng)對(duì)拓?fù)淠芟兜淖饔脛t始終是負(fù)面的壓制。此項(xiàng)工作極大地拓展了實(shí)現(xiàn)和研究馬約拉納零模的材料。相關(guān)的研究工作在線(xiàn)發(fā)表于Physical Review Letters。嚴(yán)忠波副教授為該工作第一作者和通訊作者，中山大學(xué)為第一單位。

該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金 (面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目)、廣東省重點(diǎn)地區(qū)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.257001