人造拓扑超导体与Majorana费米子的研究

In 1937, Dr. Majorana proposed a special fermion, which is the same as its antiparticle, and is called "Majorana fermion(MF)”. MFs obey non-Abelian statistics, and thus can be used for topological quantum computation. MFs have been intensively studied in recent years for their importance to both fundamental science and potential applications. For the first time, we fabricated topological insulator/superconductor hetero-structure, proved it is an artificial topological superconductor, and found some singnatures of MFs. On this basis, we will focus on.the experimental evidences of MFs in this project. We will studied the artificial topological superconductor by ultra low temperature STM, spin polarized STM and transport measurments with magnetic electrodes. Also, we will explore the new topological materials, like HgTe films and try to find MFs and manipulate them for quantum computing.

1937年，物理学家马约拉纳预言自然界中可能存在一类特殊的费米子，它与其反粒子相同，人们将其称为Majorana费米子。Majorana费米子因其服从非阿贝尔统计规律，在拓扑量子计算方面有重大的应用前景，它的重要意义涵盖了基础研究、实际应用到前沿探索的各个方面，已成为目前凝聚态物理研究的一个热点。我们在世界上率先制备了拓扑绝缘体/超导体异质结，并证明该体系是具有拓扑超导性质，又在其中观察到了Majorna费米子存在的迹象。本项目将在此基础上集中力量在人造拓扑超导体中寻找Majorana费米子存在的实验证据。我们将在已经证实的拓扑超导体——拓扑绝缘体/超导体异质结中用极低温STM、自旋极化STM以及磁电极输运来进行研究，还将探索新的拓扑体系，如HgTe薄膜等，并开展Majorana费米子的研究。争取从实验上证明Majorana费米子的存在，并对其进行可能的操控，为拓扑量子计算奠定基础。

Majorana费米子因其服从非阿贝尔统计规律，在拓扑量子计算方面有重大的应用前景，它的重要意义涵盖了基础研究、实际应用到前沿探索的各个方面，已成为目前凝聚态物理研究的一个热点。本项目将制备更多、更理想的拓扑超导体系，在已经证实的拓扑超导体——拓扑绝缘体/超导体异质结中用极低温STM、自旋极化STM以及磁电极输运来进行研究，寻找更多Majorana费米子存在的实验证据。经过多年的努力，我们制备出了两种新的拓扑超导体系：铋衬底上的锡烯和拓扑晶体绝缘体/超导体异质结（SnTe/Pb）。在SnTe/Pb体系中，我们观察到了Majorana费米子存在的明确证据。理论研究表明，该体系的vortex中存在多个受对称性保护的Majorana费米子。利用外加水平磁场破坏这种对称性，我们还观察到了可控的Majorana费米子湮灭现象。此外，我们还制备了高质量的HgTe薄膜，并进行了ARPES和输运研究。.在该项目的资助下，共发表SCI论文70多篇，包括Science 2篇，PRL 5篇， PRX 1篇， Nature com. 5篇，Science Advances 1篇，非常好地完成了项目的研究任务。