自2014年理論上指出由于具有多軌道特征，鐵基超導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)在某些條件下具有類似于拓?fù)浣^緣體中能帶拓?fù)涮匦砸詠恚P(guān)于鐵基超導(dǎo)拓?fù)湮飸B(tài)的后續(xù)理論與實驗研究進展迅速。近年來，實驗通過測量具有拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)體中拓?fù)淙毕荩▎伍g隙鐵雜質(zhì)、線缺陷和磁通渦旋等）對超導(dǎo)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)這些拓?fù)淙毕菟`的準(zhǔn)粒子特性表現(xiàn)出類似馬約拉納準(zhǔn)粒子的特征。結(jié)合鐵基超導(dǎo)中拓?fù)湮飸B(tài)理論，一種理解是這些鐵基超導(dǎo)體系中存在二維表面或一維邊界拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，拓?fù)淙毕菘梢允`馬約拉納準(zhǔn)粒子。然而，不同實驗組的測量表明，雜質(zhì)、線缺陷和磁通渦旋對超導(dǎo)態(tài)的響應(yīng)表現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性，尚未達(dá)到對實驗結(jié)果理解的共識性。

　　該研究針對近來實驗上報道的Fe(Te,Se)中晶格位錯導(dǎo)致的一維疇壁（一種線缺陷）的超導(dǎo)準(zhǔn)粒子束縛態(tài)開展理論研究。研究發(fā)現(xiàn)，晶格疇壁的構(gòu)型及其鐵磁基態(tài)對形成具有線性色散的一維馬約拉納準(zhǔn)粒子具有關(guān)鍵作用，可以解釋實驗上觀測到的晶格疇壁STM成像特征以及近常數(shù)態(tài)密度的STS譜。以此為基礎(chǔ)，研究提出通過操控晶格疇壁的鐵磁性來實現(xiàn)馬約拉納零模的產(chǎn)生與融合，并進一步提出理論方案來實現(xiàn)馬約拉納零模的編織操作以期對其非阿貝爾統(tǒng)計性質(zhì)的證明提供新思路。

　　具體而言，該工作通過第一性原理建模并計算了Fe(Te,Se)中多種可能的晶格位錯導(dǎo)致的晶格疇壁構(gòu)型，通過理論模擬STM圖像，發(fā)現(xiàn)只有一種晶格疇壁構(gòu)型與實驗結(jié)果一致（圖1(a)-(d)），其重要特征包含兩點：一是其疇壁取向與晶格位錯方向成45°角（圖1(a)-(d)），二是由于疇壁處下層的Fe-Te/Se鍵斷裂導(dǎo)致疇壁會形成隆起的結(jié)構(gòu)（圖1(c)-(d)）。進一步計算表明，由于晶格疇壁處Fe的3d電子局域性增強，其會形成沿著疇壁走向的面內(nèi)鐵磁性（圖1(e)）。基于此，研究提出一個界面拓?fù)涑瑢?dǎo)-鐵磁-界面拓?fù)涑瑢?dǎo)的有效模型（圖2 (a)），其物理圖像是Cooper對電子通過鐵磁層被散射后，鐵磁層會對超導(dǎo)序參量貢獻(xiàn)一個額外的相位，相位的大小與鐵磁層的寬度和有效交換場強度有關(guān)，可以類比FFLO的超導(dǎo)態(tài)（圖2 (b)）。通過具體求解該有效模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相位嚴(yán)格等于pi時可以得到線性色散的一維馬約拉納準(zhǔn)粒子，考慮可能的相位偏差情況，可以解釋實驗上隧道譜的細(xì)微變化（圖2 (c)）。此外，研究還預(yù)測了界面相位電池效應(yīng)（圖2 (d)），在此基礎(chǔ)上，提出了通過操控鐵磁層磁矩的大小來實現(xiàn)馬約拉納零模的產(chǎn)生與融合（圖3 (a)-(c)），理論上提出一種方案來構(gòu)筑超導(dǎo)鐵磁環(huán)路結(jié)構(gòu)（圖3 (d)-(e)），通過調(diào)節(jié)超導(dǎo)的相位差來實現(xiàn)四個馬約拉納零摸的編織操作（圖3 (f)-(g)），并通過利用AB效應(yīng)的干涉電路來讀出相應(yīng)的編織結(jié)果（圖3 (h)-(i)），以期為證明馬約拉納零模的非阿貝爾統(tǒng)計性質(zhì)提供新思路。

　　研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1.(a)-(c) Fe(Te,Se)的俯視和側(cè)視圖，灰色區(qū)域是晶格疇壁區(qū)，(a)和(b)表示疇壁處的鐵原子具有AFM和FM序；(d) 理論模擬的STM圖像，晶格疇壁與晶格位錯方向成45°角；(e) 疇壁的磁基態(tài)能隨關(guān)聯(lián)的變化以及鐵的有效磁矩

　　圖2.(a) 有效模型，(b) Cooper對的散射由于鐵磁作用導(dǎo)致其超導(dǎo)序參量獲得額外相位，(c) 考慮相位漲落與自能效應(yīng)的STS譜， (d) 相位電池效應(yīng)導(dǎo)致非零的隧穿電流

　　圖3.(a)-(e) 用來產(chǎn)生、融合和編織馬約拉納零模的示意圖，(f) 對應(yīng)(d)中環(huán)路的超導(dǎo)相位差以及鐵磁引起的相位分布，(g) 絕熱編織操作，(h)-(i) 基于AB效應(yīng)的干涉電路及其電導(dǎo)振蕩