量子计算的突破:新的材料融合具有一种独特的超导性所需的所有成分

诸平

Researchers at Penn State have introduced a groundbreaking material fusion that enables a new form of superconductivity, crucial for advancing quantum computing and exploring the theoretical chiral Majorana particles. Their study demonstrates how combining magnetic materials can lead to emergent superconductivity, marking a significant leap in creating chiral topological superconductors and potentially unlocking new avenues in quantum computing research.

据美国宾夕法尼亚州立大学（Penn State University简称Penn State）2024年2月24日提供的消息，由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的一个团队创造的新的材料组合，也可以提供一个平台来探索类似于被称为手性马约拉纳（chiral Majoranas）的神秘理论粒子的物理行为，这可能是量子计算的另一个有前途的组成部分。这是一种新的材料融合，每种材料都具有特殊的电性能，具有独特类型的超导性所需的所有组件，可以为更强大的量子计算提供基础。详见量子计算的突破:新的材料融合具有一种独特的超导性所需的所有成分（Quantum Computing Breakthrough: New Fusion of Materials Has All the Components Required for a Unique Type of Superconductivity）这项新研究2024年2月8日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Hemian Yi, Yi-Fan Zhao, Ying-Ting Chan, Jiaqi Cai, Ruobing Mei, Xianxin Wu, Zi-Jie Yan, Ling-Jie Zhou, Ruoxi Zhang, Zihao Wang, Stephen Paolini, Run Xiao, Ke Wang, Anthony R. Richardella, John Singleton, Laurel E. Winter, Thomas Prokscha, Zaher Salman, Andreas Suter, Purnima P. Balakrishnan, Alexander J. Grutter, Moses H. W. Chan, Nitin Samarth, Xiaodong Xu, Weida Wu , Chao-Xing Liu, Cui-Zu Chang. Interface-induced superconductivity in magnetic topological insulators. Science, 8 Feb 2024, 383(6683): 634-639. DOI: 10.1126/science.adk1270

参与此项研究的除了来自美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员之外，还有来自美国罗格斯大学（Rutgers University, Piscataway, NJ, USA）、美国华盛顿大学（University of Washington, Seattle, WA, USA）、美国洛斯阿拉莫斯的国家强磁场实验室（National High Magnetic Field Laboratory, Los Alamos, NM, USA）、美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA）；中国科学院理论物理研究所（Institute of Theoretical Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China）以及瑞士保罗·舍勒研究所（Paul Scherrer Institute, Villigen PSI, Switzerland）的研究人员。

这项工作描述了研究人员如何将两种磁性材料结合在一起，他们称这是实现新兴界面超导性的关键一步，这是他们目前正在努力的方向。

手性拓扑超导体的作用（The Role of Chiral Topological Superconductors）

无电阻的超导体材料广泛应用于数字电路、磁共振成像(magnetic resonance imaging简称MRI)和粒子加速器中的强力磁铁，以及其他对电流最大化至关重要的技术中。当超导体与一种叫做磁性拓扑绝缘体（magnetic topological insulators）的材料结合在一起时，这种材料是一种只有几个原子厚的薄膜，具有磁性，并将电子的运动限制在其边缘，每个组件的新电学特性共同作用，产生“手性拓扑超导体”（“chiral topological superconductors”）。拓扑结构，或物质的特殊几何形状和对称性，在超导体中产生独特的电现象，这可以促进拓扑量子计算机（topological quantum computers）的构建。

量子计算机有潜力在传统计算机的一小部分时间内执行复杂的计算，因为与传统计算机将数据存储为1或0不同，量子计算机的量子比特以一系列可能的状态同时存储数据。拓扑量子计算机进一步改进了量子计算，利用了电学性质的组织方式，使计算机对退相干（decoherence）具有鲁棒性。退相干就是当量子系统不完全隔离时发生的信息丢失。

材料组合的突破（Breakthrough in Material Combination）

宾夕法尼亚州立大学亨利·聂尔（Henry W. Knerr）早期职业教授（Henry W. Knerr Early Career Professor）和物理学副教授、上述论文的共同通讯作者张翠祖(Cui-Zu Chang音译)说：“创造手性拓扑超导体是拓扑量子计算的重要一步，可以扩展到广泛的应用。手性拓扑超导性需要三个要素:超导性、铁磁性和一种被称为拓扑有序（topological order）的性质。在这项研究中，我们制作了一个具有所有这三种属性的系统。”

研究人员使用了一种称为分子束外延（molecular beam epitaxy）的技术，将具有磁性的拓扑绝缘体和硫系铁(iron chalcogenide, FeTe)堆叠在一起，硫系铁是一种很有希望利用超导性的过渡金属。拓扑绝缘体是一种铁磁体，其电子以相同的方式自旋，而FeTe是一种反铁磁体，其电子以交替方向自旋。研究人员使用了各种成像技术和其他方法来表征所得组合材料的结构和电性能，并证实了在材料之间的界面上存在手性拓扑超导的所有三个关键组成部分。

探索超导和铁磁性(Exploring Superconductivity and Ferromagnetism)

该领域先前的工作集中在超导体和非磁性拓扑绝缘体的结合上。根据研究人员的说法，加入铁磁体尤其具有挑战性。

宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该论文的共同通讯作者刘超兴(Chao-Xing Liu音译)说：“通常情况下，超导性和铁磁性是相互竞争的，所以在铁磁性材料系统中发现强大的超导性是很罕见的。但是这个系统中的超导性实际上对铁磁性是非常强的。你需要一个很强的磁场来消除超导性。”

研究小组仍在探索为什么超导性和铁磁性在这个系统中共存。

张翠祖说：“这实际上很有趣，因为我们有两种非超导的磁性材料，但我们把它们放在一起，这两种化合物之间的界面产生了非常强大的超导性。硫系铁（Iron chalcogenide）是反铁磁性的，我们预计它的反铁磁性会在界面周围减弱，从而产生超导现象，但我们需要更多的实验和理论工作来验证这是否正确，并澄清超导机制。”

马约拉纳粒子研究的潜力（Potential for Majorana Particle Research）

研究人员说，他们相信这个系统将有助于寻找与1937年首次假设的马约拉纳粒子（Majorana particles）理论亚原子粒子表现出相似行为的材料系统。马约拉纳粒子充当自己的反粒子，这种独特的性质可能使它们在量子计算机中被用作量子比特。

张翠祖说：“为手性马约拉纳的存在提供实验证据将是创建拓扑量子计算机的关键一步。在寻找这些难以捉摸的粒子的过程中，我们的领域经历了艰难的过去，但我们认为这是探索马约拉纳物理学（Majorana physics）的一个很有前途的平台。” 

这项研究得到了美国能源部（U.S. Department of Energy: DE-SC0023113; DE-SC0018153）、美国国家科学基金会(National Science Foundation: DMR-1847811, DMR-2011839, DMR-2241327, DMR-2039351, DMR-1644779 and DMR-2128556)、美国空军科学研究办公室（Air Force Office of Scientific Research: FA9550-21-1-0177）、美国陆军研究办公室（Army Research Office: W911NF2210159）以及戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative: GBMF9063）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Editor’s summary

One of the recipes for realizing topological superconductivity calls for interfacing a topological insulator with a superconductor. In a variant of that approach, Yi et al. grew a heterostructure consisting of layers of a magnetic topological insulator, (Bi,Sb)₂Te₃ doped with chromium, and antiferromagnetic iron telluride. Neither of these materials is superconducting, but iron telluride is a parent compound for a family of iron-based superconductors. Interfacing the layers led to the appearance of superconductivity in the presence of ferromagnetism and topological band structure. This combination of properties makes the heterostructure a promising, although not yet proven, platform for observing chiral topological superconductivity. —Jelena Stajic

Abstract

The interface between two different materials can show unexpected quantum phenomena. In this study, we used molecular beam epitaxy to synthesize heterostructures formed by stacking together two magnetic materials, a ferromagnetic topological insulator (TI) and an antiferromagnetic iron chalcogenide (FeTe). We observed emergent interface-induced superconductivity in these heterostructures and demonstrated the co-occurrence of superconductivity, ferromagnetism, and topological band structure in the magnetic TI layer—the three essential ingredients of chiral topological superconductivity (TSC). The unusual coexistence of ferromagnetism and superconductivity is accompanied by a high upper critical magnetic field that exceeds the Pauli paramagnetic limit for conventional superconductors at low temperatures. These magnetic TI/FeTe heterostructures with robust superconductivity and atomically sharp interfaces provide an ideal wafer-scale platform for the exploration of chiral TSC and Majorana physics.