馬約拉納費米子（Majorana Fermion）是一種假想費米子，是由意大利物理學家埃託雷·馬約拉納於1937年首次提出。與狄拉克費米子不同，馬約拉納費米子的反粒子就是它自身。在凝聚態物理學中，馬約拉納費米子以準粒子激發的形式存在於任何拓撲及非拓撲超導體中，其早已被凝聚態物理實驗發現，與遵守非阿貝爾統計的馬約拉納零能模關係不大，與夢寐以求的拓撲量子計算不直接相關。但一維手性馬約拉納費米子是馬約拉納並沒有預言的一種新的粒子，其會出現在一些二維拓撲序邊界上（這是1993年的一個預言https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.70.355）。邊界上出現手性馬約拉納費米子會意味著體中將出現非阿貝爾統計的準粒子。這將與拓撲量子計算直接相關。一維手性馬約拉納費米子的實驗證據，在兩年多前被觀測到（https://arxiv.org/abs/1710.00492）。
探尋非阿貝爾統計的準粒子，其包括馬約拉納零能模（而不是馬約拉納費米子），成為近年來凝聚態物理學研究的熱點。要注意馬約拉納費米子早已被凝聚態物理發現，其與非阿貝爾統計沒什麼關係。但（不是馬約拉納預言的）一維手性馬約拉納費米子與非阿貝爾統計有直接的關係。
三多年前發現的1/2電導平臺（https://arxiv.org/abs/1606.05712），曾被認為是一維手性馬約拉納費米子的實驗證據，但很快被指出1/2電導平臺有一個另外的更加可能的短路解釋（見https://arxiv.org/abs/1708.06214和https://arxiv.org/abs/1708.06752。文章投Science被拒）。這篇文章報道的實驗在另外一些樣品中證實了短路解釋（Science比PRL和PRB要晚兩年）。但這不排除在其他結構不同的質量更好的樣品中也許會有一維手性馬約拉納費米子。
——文小剛
來源 | 知社
2010 年，著名華人物理學家、斯坦福大學Shou-Cheng Zhang教授團隊首次從理論上預言了在量子（反常）霍爾絕緣體與超導體的異質結中可以產生手性馬約拉納費米子，但沒有給出具體的實驗測量方法。2015年，Shou-Cheng Zhang教授團隊提出在量子反常霍爾絕緣體與超導體異質結中的手性馬約拉納費米子可以表現為電學輸運測量中的半整數量子化電導平臺。2017年，美國加州大學洛杉磯分校K. Wang教授團隊與Shou-Cheng Zhang教授團隊、加州大學歐文分校的Jing Xia教授團隊合作，在毫米級量子反常霍爾-超導樣品的磁疇反轉區域“實驗上觀測”到了半整數量子化電導平臺，並解釋其為手性馬約拉納費米子 ( “天使粒子”) 所導致，認為這是量子反常霍爾效應平臺系統中第一個具有確鑿證據的手性馬約拉納費米子實驗測量結果，引起巨大轟動。
近日，美國賓夕法尼亞州立大學Cui-Zu Chang助理教授、Moses. H. W. Chan教授和Nitin Samarth教授、以及德國維爾茲堡大學 Laurens W. Molenkamp教授課題組合作，發現在毫米級的量子反常霍爾絕緣體與超導體的異質結中的半整數量子化電導平臺的邊緣電流不是由手性馬約拉納費米子導致。相關工作以“Absence of Evidence for Chiral Majorana Modes in Quantum Anomalous Hall-Superconductor Devices”為題， 於2020年1月3日在Science期刊上以 Report 的形式在線發表。 這一文章是Science期刊首次發表負面結果的Report。期刊編輯及三位特邀審稿人均給出高度評價，一致認為該工作對消除業內過去幾年來在手性馬約拉納費米子實驗測量方面存在的疑惑和爭議具有重要意義。
根據理論預測，手性馬約拉納費米子存在必須具備兩個先決條件：（1）穩定的量子反常霍爾絕緣體體系；（2）量子反常霍爾絕緣體與超導體之間必須具有良好接觸。在最新的實驗工作中，除理論模型中提出的將超導體條帶放置到量子反常霍爾絕緣體表面形成異質結之外，研究者還在相同的器件上用同種超導體制備了納米級超導探針以此來表徵量子反常霍爾絕緣體與超導體的接觸情況，如圖1所示。利用超導納米探針結構，研究者測量了在直流偏置下超導體和量子反常霍爾絕緣體的微分電導。在實驗中，該納米探針在直流偏置下的微分電導符合安德列夫反射模型，在零直流偏置相比高偏置下的微分電導產生了近兩倍的增強效應。這一實驗結果證明了超導體和量子反常霍爾絕緣體之間建立了近乎理想的接觸，如圖2所示。
圖1: 實驗中的量子反常霍爾絕緣體與超導體異質結樣品構造以及電學表徵。
圖2: 通過超導納米探針來表徵超導體和量子反常霍爾絕緣體的接觸。
在驗證上述兩個先決條件之後，研究者嘗試對跨越超導體的兩端法電導進行測量。實驗測得的兩端法電導出現了與理論預期以及2017年實驗文章中完全不同的結果。在2015年理論預期和2017年實驗文章中，半整數量子化與整數量子化電導平臺共存。然而在最新實驗中並沒有出現整數量子化電導平臺，半整數的量子化電導平臺不僅出現在理論預言的特定磁場範圍內，更是出現在了整條霍爾曲線之中，如圖3A所示。並且，這一量子化電導甚至在外加磁場超過了超導體臨界條件下仍然存在。
新的實驗現象已經很難用手性馬約拉納費米子理論預言中的物理模型進行解釋。歷經一年，Cui-Zu Chang教授團隊測試了三十多個樣品均表現出了同樣的結果。於是，對這一現象背後的物理進行了深入的探討之後，研究者認為: 由於量子反常霍爾絕緣體緊密接觸的超導體將兩側的量子反常絕緣體進行了簡單電學連接, 這一“短路”電路導致了觀測到的半整數量子化電導平臺。研究者還發現兩端法測量的電導平臺的數值依賴於量子反常霍爾絕緣體上面超導體條帶的數目，如圖4所示 。這一實驗觀測進一步驗證了所觀測到的半整數量子平臺是由於“短路”所致，而非由於“天使粒子”所致。
圖3: 實驗中觀測到的半整數量子化電導平臺。
圖4: 兩端法測量的電導平臺數值依賴於超導條帶的數目。
此外，研究者還通過在量子反常霍爾絕緣體與超導體之間人為添加絕緣層來系統改變其接觸電阻大小，也沒有觀測到2015年理論預測以及2017年實驗報道的結果。這些實驗結果表明，對“天使粒子”的追尋之路並沒有想象中容易，唯有一步一步腳踏實地，對實驗結果永遠持有著審慎態度，才有可能捕捉到真正的“天使粒子”。
本文經授權轉載自微信公眾號“知社學術圈”，戳“https://science.sciencemag.org/content/367/6473/64”可查閱原文。
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