自2014年理論上指出由于具有多軌道特征，鐵基超導的電子結構在某些條件下具有類似于拓撲絕緣體中能帶拓撲特性以來，關于鐵基超導拓撲物態的后續理論與實驗研究進展迅速。近年來，實驗通過測量具有拓撲電子結構的鐵基超導體中拓撲缺陷（單間隙鐵雜質、線缺陷和磁通渦旋等）對超導態響應，發現這些拓撲缺陷所束縛的準粒子特性表現出類似馬約拉納準粒子的特征。結合鐵基超導中拓撲物態理論，一種理解是這些鐵基超導體系中存在二維表面或一維邊界拓撲超導態，拓撲缺陷可以束縛馬約拉納準粒子。然而，不同實驗組的測量表明，雜質、線缺陷和磁通渦旋對超導態的響應表現出多樣性和復雜性，尚未達到對實驗結果理解的共識性。

　　該研究針對近來實驗上報道的Fe(Te,Se)中晶格位錯導致的一維疇壁（一種線缺陷）的超導準粒子束縛態開展理論研究。研究發現，晶格疇壁的構型及其鐵磁基態對形成具有線性色散的一維馬約拉納準粒子具有關鍵作用，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態密度的STS譜。以此為基礎，研究提出通過操控晶格疇壁的鐵磁性來實現馬約拉納零模的產生與融合，并進一步提出理論方案來實現馬約拉納零模的編織操作以期對其非阿貝爾統計性質的證明提供新思路。

　　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致的晶格疇壁構型，通過理論模擬STM圖像，發現只有一種晶格疇壁構型與實驗結果一致（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鍵斷裂導致疇壁會形成隆起的結構（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鐵磁性（圖1(e)）。基于此，研究提出一個界面拓撲超導-鐵磁-界面拓撲超導的有效模型（圖2 (a)），其物理圖像是Cooper對電子通過鐵磁層被散射后，鐵磁層會對超導序參量貢獻一個額外的相位，相位的大小與鐵磁層的寬度和有效交換場強度有關，可以類比FFLO的超導態（圖2 (b)）。通過具體求解該有效模型發現，當相位嚴格等于pi時可以得到線性色散的一維馬約拉納準粒子，考慮可能的相位偏差情況，可以解釋實驗上隧道譜的細微變化（圖2 (c)）。此外，研究還預測了界面相位電池效應（圖2 (d)），在此基礎上，提出了通過操控鐵磁層磁矩的大小來實現馬約拉納零模的產生與融合（圖3 (a)-(c)），理論上提出一種方案來構筑超導鐵磁環路結構（圖3 (d)-(e)），通過調節超導的相位差來實現四個馬約拉納零摸的編織操作（圖3 (f)-(g)），并通過利用AB效應的干涉電路來讀出相應的編織結果（圖3 (h)-(i)），以期為證明馬約拉納零模的非阿貝爾統計性質提供新思路。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項等的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1.(a)-(c) Fe(Te,Se)的俯視和側視圖，灰色區域是晶格疇壁區，(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) 疇壁的磁基態能隨關聯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致其超導序參量獲得額外相位，(c) 考慮相位漲落與自能效應的STS譜， (d) 相位電池效應導致非零的隧穿電流

　　圖3.(a)-(e) 用來產生、融合和編織馬約拉納零模的示意圖，(f) 對應(d)中環路的超導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效應的干涉電路及其電導振蕩