近年来，量子计算成为了焦点话题。2019年，谷歌在《自然》杂志上发文声称实现了量子优越性，更是引起了广泛的讨论，并被《科学》杂志评为2019年十大科学进展之一。然而要实现大规模量子计算，面临的主要挑战是需要避免微扰导致的退相干效应引起的错误。与传统的量子计算方案比，拓扑量子计算有可能从根本上解决这个问题。拓扑超导体与马约拉纳（Majorana）零能模是拓扑量子计算实现的物质基础。

拓扑描述物质态的整体特性，是一类不受微扰影响的稳定性质。生活中常见的例子有甜甜圈和咖啡杯，因为它们可以通过连续形变相互转化，所以具有相同的拓扑不变量。另一方面，凝聚态物理中不同拓扑类的电子态无法在能隙保持打开的情况下相互转化，因此拓扑性质对电子态具有很强的保护作用。自从整数量子霍尔效应的研究将拓扑的概念引入凝聚态体系以来，对材料拓扑性质的研究已成为凝聚态物理领域最重要的方向之一。

人们已经发现并研究了拓扑绝缘体和拓扑半金属。与此同时，超导体作为一种被长期关注的量子体系，也从拓扑角度获得了重新认识：如果一种超导体的某一种拓扑不变量取非平凡值，它就可以被称为拓扑超导体。拓扑超导体的重要特点在于，它的边界上会出现无能隙的准粒子激发。理论上，这种准粒子可以被视为Majorana费米子，而零维受限的Majorana费米子可以被称为Majorana零能模。Majorana零能束缚态满足非阿贝尔统计：在编织（braiding）的操作下，系统会进入不同的拓扑保护态。这为高容错性的拓扑量子计算提供了可能。

除了寻找本征的拓扑超导体外，人们还提出了多种实现拓扑超导的方法，其中在拓扑绝缘体或拓扑半金属中诱导出超导是一种前景广阔的手段。通过栅极调控、高压、掺杂、近邻效应和针尖点接触等手段，人们已经在多种已知的拓扑绝缘体和拓扑半金属中调制出超导，并研究了其拓扑特性和超导特性，发现了可能的Majorana零能模。这些研究是迈向拓扑量子计算的重要基础。

《物理学报》2020年第2期特邀综述栏目刊登了北京大学王健教授研究组的综述文章“拓扑材料中的超导”，全面介绍了拓扑材料中的本征超导和诱导超导的研究概况，包括常用手段及代表性成果，并探讨了不同调制手段的优缺点，分析了诱导超导是否是拓扑超导的实验证据。主要分析包括：

1) 本征的拓扑超导要求p波配对，条件苛刻，候选材料有限；

2) 在多种调制手段中，通过栅极调控载流子浓度简单易行，但是否具有稳定的Majorana零能模仍需验证（图1）；

3) GPa量级的压强通过改变晶格常数和晶格各向异性，调节费米面和声子，已经成功地在多种拓扑绝缘体和拓扑半金属中诱导了超导，展现出很强的调制能力；不足在于高压装置不便于对诱导的超导做谱学研究，且难以推广应用。

4) 掺杂作为改变物理性质的常见手段，可以起到诱导或增强超导的作用，典型代表包括掺入Cu的Bi2Se3和掺入S的MoTe2等。

5) 通过超导近邻效应在拓扑材料中诱导超导已经取得了一定的成果，其中拓扑绝缘体、狄拉克半金属与超导的作用被认为可以产生Majorana零能模（图2），而铁磁与超导的相互作用则是相关研究的另一重要方向。

6) 点接触是一种研究超导的传统手段。近期研究表明，点接触还有很强的调制超导的能力。常用的针尖点接触手段同时结合了局部压强、局部掺杂效应和界面效应等因素，已成为当前探索拓扑超导的重要手段之一。例如，点接触诱导的Dirac半金属Cd3As2的超导临界温度高于50 GPa以内压强诱导的超导临界温度（图3）；而Weyl半金属TaAs可以被针尖点接触诱导出超导，却没有高压诱导超导的报道。目前已经有一定的实验证据表明点接触在这些拓扑半金属中诱导的超导可能是拓扑非平凡的。针尖点接触作为一种调制和研究超导的实验手段，还有很大的发展空间。

拓扑材料中的超导是一个前景广阔的前沿方向，值得更多的关注和深入的研究。这篇综述介绍了一些潜在的本征拓扑超导体，重点讨论了目前已经成功地在拓扑绝缘体和拓扑半金属中调制出超导的方法，为想要进入本领域的研究者提供了快速了解本领域发展的参考资料。

图 1  通过栅极调控在WTe₂中诱导出超导的实验　(a)单层WTe₂晶体结构的示意图和实验器件示意图^[1];  (b) 底栅压为4 V、顶栅压为5 V 时的电阻-温度曲线表明超导

图2  自旋分辨针尖探测Bi2Se3 薄膜上Majorana零能模的实验示意图^[2]

图3   针尖点接触在Dirac半金属Cd3As2中诱导的超导^[3] (a) Cd3As2 中零偏压点接触微分电导与温度的关系, 电阻的下降可以被磁场抑制, 这意味着它代表超导相变, 插图是针尖点接触实验示意图; (b) 不同温度下归一化的钨针尖Cd3As2 点接触微分电导谱

参考文献：

[1] Fatemi V, Wu S, Cao Y, Bretheau L, Gibson Q D, Watanabe K, Taniguchi T, Cava R J, Jarillo-Herrero P 2018 Science 362 926

[2] Sun H, Zhang K, Hu L, Li C, Wang G, Ma H, Xu Z, Gao C, Guan D, Li Y, Liu C, Qian D, Zhou Y, Fu L, Li S, Zhang F, Jia J 2016 Phys. Rev. Lett. 116 257003

[3] Wang H, Wang H, Liu H, Lu H, Yang W, Jia S, Liu X J, Xie X C, Wei J, Wang J 2015 Nat. Mater. 15 38

王健，中国科学院物理研究所凝聚态物理博士，宾夕法尼亚州立大学博士后，现为北京大学物理学院量子材料科学中心教授，教育部长江学者特聘教授。长期从事低维超导与拓扑材料的量子输运实验研究，取得了一系列具有国际影响力的重要原创性成果，推动了相关领域的发展。代表性工作包括：在二维超导中发现新的量子相变——量子格里菲斯奇异性，并实验证实新的物质态玻色型反常（量子）金属态；在拓扑材料中发现电阻随磁场对数周期振荡的规律，是量子振荡近90年历史上发现的第三种周期规律等。