3篇Science｜西湖大學李牮在粒子物理學取得重大

iNature

2019年6月13日，浙江西湖高等研究院李牮（共同第一作者）與美國普林斯頓大學物理系教授Ali Yazdani實驗組，Sangjun Jeon及Andrei Bernevig理論組合作，在Science上發表了題為「Observation of a Majorana zero mode in a topologically protected edge channel」的研究論文，該研究使用掃描隧道顯微鏡測量來探測接近感應超導和磁性對Bi（111）薄膜的螺旋鉸鏈狀態的影響，Bi（111）薄膜生長在超導Nb襯底上並用磁性Fe團簇裝飾。與模型計算一致，揭示了在超導螺旋邊緣通道和沿著邊緣具有強磁化分量的Fe團簇之間的界面處出現的局部馬約拉納粒子零模式（MZM）。 該實驗還解決了MZM的自旋特徵，這種特徵將其與超導體中零能量時可能意外發生的瑣碎的間隙狀態區分開來；

2017年11月10日，浙江西湖高等研究院李牮與美國普林斯頓大學物理系教授Ali Yazdani實驗組及Andrei Bernevig理論組合作，在Science上發表了題為「Distinguishing a Majorana zero mode using spin resolved measurements」的研究論文，報道了在掃描隧道顯微鏡中觀測到馬約拉納粒子及其獨特的自旋特性，這一發現可能為新的量子計算打開大門。李牮博士在此次研究中作了主要的理論貢獻，是Science論文的共同第一作者；

2014年10月2日，美國普林斯頓大學物理系教授Ali Yazdani團隊（李牮共同第一作者）在Science發表題為「Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor」的研究論文，預計馬約拉納粒子將定位於拓撲超導體的邊緣，這是一種物質狀態，當鐵磁系統放置在具有強自旋軌道相互作用的傳統超導體附近時可形成。為了實現一維拓撲超導體，研究人員在超導鉛（Pb）表面製備了鐵磁性鐵（Fe）原子鏈。使用高解析度光譜成像技術，表明超導的開始，它消除了大部分Fe鏈中的電子態密度，伴隨著零能量終態的出現。這種空間分辨的特徵為原子鏈中形成拓撲相和邊緣束縛的馬約拉納費米子提供了強有力的證據，這些證據得到了其他觀察的證實。

論文截圖

該研究團隊使用了增強的成像技術，通過掃描隧道顯微鏡，在鉛晶體表面生長的鐵原子鏈的兩端，捕捉到了馬約拉納粒子的信號。他們的研究方法還包括測量一種被稱為自旋的獨特的量子特性——對這一特性的測量可以區分馬約拉納粒子和材料中可能出現的其他類型的准粒子，並有機會為該系統應用於量子信息傳輸做出鋪墊。

這一發現建立在該團隊2014年的研究成果之上，當時的研究成果也發表在Science雜誌上，發現在超導鉛表面生長的鐵原子鏈中存在馬約拉納粒子。在這項研究中，掃描隧道顯微鏡第一次被用於觀察馬約拉納粒子，但當時並沒有提供其他對馬約拉納粒子特性的觀測。

以上為實驗示意圖。自旋極化掃描隧道顯微鏡探針用於探測超導體鉛表面鐵原子鏈末端的馬約拉納粒子量子波函數的自旋特性。圖片由普林斯頓大學Ali Yazdani實驗室提供。

此次研究發現的馬約拉納粒子的量子自旋特性，不僅進一步證實了馬約拉納粒子在該系統中的存在性，而且開闢了將其應用於量子信息等領域的可能性。例如，兩端帶有馬約拉納粒子的金屬線可以用來在空間分隔一定距離的自旋量子比特之間傳遞信息——電子自旋和馬約拉納粒子間的糾纏可能正是下一步的研究方向。

李牮老師在開學典禮Book of Knowledge內簽字

（來源：TOP大學來了）

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