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异质系统马约拉纳费米子的理论研究及其实验观测问题

Theoretical study of Majorana fermions in hybrid systems and experimental observation challenges

乔国健，岳鑫，张智磊，孙昌璞

物理学报, 2026, 75(6): 060701

DOI: 10.7498/aps.75.20251512

CSTR: 32037.14.aps.75.20251512

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文章导读

马约拉纳费米子因具有“反粒子就是自身”这一奇异性质，并在拓扑保护量子计算中展现出重要应用前景，成为凝聚态物理近二十年来持续升温的研究热点。超导异质系统被普遍视为寻找马约拉纳费米子（零模）的关键实验平台，但近年来，这一方向上多篇曾宣称实现观测的代表性实验论文，因数据解释和证据可靠性问题相继撤稿，也由此引发学界对实验判据、理论模型与数据分析方式的重新审视。

《物理学报》2026年第6期特邀综述栏目刊登了中国工程物理研究院研究生院乔国健等撰写的文章，较为全面地介绍了异质系统中马约拉纳费米子的理论发展、实验探索及其争议焦点，并进一步分析这些争议背后的物理原因与技术症结（图1）。

图1 马约拉纳准粒子在凝聚态物理中的发展以及关键实验进展

文章首先说明，马约拉纳费米子的概念如何从高能物理中的基本粒子问题，逐步转化为凝聚态体系中准粒子和束缚态的研究对象；随后以最简洁也最具代表性的 Kitaev 链模型为起点，解释纳米线-超导体、拓扑绝缘体-超导体等异质结构何以孕育马约拉纳零模。在此基础上，文章回顾了纳米线超导和拓扑绝缘体超导异质系统相关研究的重要实验进展，并指出，实验数据的选择性展示以及对理想化模型的过度套用，是造成相关争议与论文撤稿的重要原因。与此同时，文章也介绍了针对传统模型过于简化这一问题出现的新理论进展，重点讨论孙昌璞团队关于马约拉纳费米子的“缀饰理论”^[1]。这一理论围绕“为什么现在难以稳定看到马约拉纳零模”以及“未来怎样更可靠地辨认它”两个核心问题，给出了更贴近真实材料和实验条件的解释。文章还进一步展示了“缀饰理论”在“穷人马约拉纳费米子”系统^[2]，即超导-量子点平台中的推广与应用，体现出这一理论方法的广泛适用性。

这篇综述不仅帮助读者看清当前马约拉纳费米子研究中争议究竟出在哪里，也介绍了实现马约拉纳零模精确观测所需满足的关键理论条件（图2）。这些认识将为寻找更合适的新材料体系、提升实验测量精度提供重要参考，也为拓扑量子计算相关研究打下更扎实的理论基础，推动这一前沿方向向着更可靠、更深入的目标继续前进。

图2 纳米线化学势μ_w与磁场h_w参数空间中的拓扑相图。图中对比了传统低能有效理论（蓝色曲线内部）、微扰理论（红色实线）与 “缀饰” 理论（浅紫色区域）所预测的拓扑相范围。可见，考虑了真实准粒子激发的 “缀饰” 理论预测的拓扑相区域显著偏移。对于实际的 InSb-Al 与 InAs-Al 异质系统，其纳米线本体化学势偏移可达 1 eV 量级，而马约拉纳零模存在的参数窗口仅约 1 meV。该图直观量化了理论与实验参数的巨大差异，从根本上解释了当前实验难以成功观测的物理根源。

参考文献

[1] Qiao G J, Yue X, Sun C P 2024 Phys. Rev. Lett. 133 266605

[2] Zhang Z L, Qiao G J, Sun C P 2025 arXiv: 2506.10367 [cond-mat.mes-hall]

作者简介

孙昌璞

理论物理学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国工程物理研究院研究生院创院院长

曾任东北师范大学教授，中国科学院理论物理研究所研究员和北京大学客座讲席教授。获得过国家自然科学二等奖和美国ISI“经典引文奖”等奖励以及全国先进工作者等荣誉称号。长期组织参与我国物理学科战略规划工作，目前是中国物理学会副理事长，国家自然科学基金委员会监督委员会副主任，并担任中国科学院哲学研究所学术委员会主任和北京大学物理学科卓越人才培养指导委员会主任。著有《量子力学现代教程》和《经典杨-Mills 场理论》等。

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