4月30日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心徐刚、物理学院刘鑫团队与合作者的最新成果。研究团队针对铁基超导体中马约拉纳零能模难以稳定调控的难题，创造性地提出将超导磁通涡旋“转向”并结合单轴应变调控的新策略，成功预言了可在宽参数区间稳定存在且受应变开关控制的马约拉纳零能模。这一发现为拓扑量子计算的物理实现开辟了一条全新的可控路径。物理学院博士生余斯琦、程伟和硕士生龚子盛、陈子宜等为论文共同作者，徐刚教授、刘鑫教授、中国科学院大学卡弗里理论科学研究所张富春教授为论文共同通讯作者。
马约拉纳零能模是拓扑超导体中的零能准粒子激发，具有非阿贝尔统计特性，是实现容错拓扑量子计算的关键载体。铁基超导体因为兼具高温超导电性与丰富拓扑能带，为在超导涡旋中研究这类零能模提供了材料基础（徐刚等, Physical Review Letters 2016）。然而，这种丰富的多带特性也是一把“双刃剑”：当拓扑能带与狄拉克点同时参与涡旋物理时，常导致无能隙涡旋态与马约拉纳零能模信号混杂。对于传统的z方向涡旋，这种耦合会使拓扑超导区间被严重压缩，也极大增加了零能模的判别和调控难度。因此，如何有效抑制多带纠缠的干扰，获得更宽、更稳定且可调控的马约拉纳零能模，成为该领域亟待突破的重要问题。
针对这一问题，团队提出将涡旋取向作为新的调控自由度，跳出传统z-涡旋思维定式，首次提出将涡旋转向xy-面内，形成“x-涡旋”（图1a）。在x-涡旋中，原本不参与拓扑超导转变的狄拉克点被纳入决定拓扑超导性质的“关键动量平面”（图1b），从而改变了多能带间的耦合方式。更巧妙的是，这种耦合能够通过单轴应变进行有效调控，为获得更稳定可控的马约拉纳零能模提供了一个可连续调控的“开关”。
图1 铁基超导体中x-涡旋的几何构型(a)、布里渊区(b)以及应变条件下电子结构拓扑示意图(c)。
经过严格的理论计算，团队发现在x-涡旋中，y方向的晶格应变可以打破4度旋转对称性，并激活狄拉克点能隙参数A′3（图1c）。计算表明，当A′3>0时，材料内部原本复杂的“多带纠缠”被显著抑制，从而为马约拉纳零能模的稳定存在创造了有利条件。图2给出了A′3>0（图2a）和A′3<0（图2b）时拓扑超导相图，以及计算得到的零偏压电导峰（图2e、f）和马约拉纳零能模的空间分布（图2g、h）。这些结果明确证明，A′3>0时x-涡旋的拓扑超导区间被显著拓宽，马约拉纳零能模得以在更宽的参数范围内稳定存在。
图2 四度旋转对称破缺下拓扑超导相图与能谱（a-d），态密度和零偏压电导峰(e、f)和马约拉纳零能模(g、h)的空间分布。
为了验证上述理论在实际材料中的可行性，团队以典型铁基超导材料LiFeAs为对象，开展了系统的第一性原理计算，精确模拟了施加单轴应变后电子结构和镜面贝里曲率的演化（图3）。计算结果成功建立了y-轴形变与A′3之间的定量映射关系：y-轴压缩应变对应A′3>0，有利于获得宽参数拓扑超导区间和稳定的马约拉纳零能模。进一步对比晶格应变与拓扑能隙之间的对应关系，发现所需要单轴应变完全处于现有实验手段的可及范围，这意味着实验上完全可以通过施加y-轴压缩获得更宽参数区间更稳定的马约拉纳零能模。
图3 基于第一性原理计算的LiFeAs在y-轴应变下的电子结构和镜面贝里曲率分布
该项工作的核心突破在于首次将涡旋取向和单轴应变同时引入铁基拓扑超导调控，从根本上改变了以往“被动寻找”的研究范式，转向“按需调控”的可控方案。与传统z-涡旋相比，x-涡旋不仅能有效抑制多带干扰，还可通过应变实现拓扑超导相的精准切换。同时，x-涡旋的几何构型与铁基超导纳米线的生长方向自然兼容，为后续通过非局域电导测量零能模并在纳米线网络中探索可扩展的量子比特编织提供了新路径，也为基于马约拉纳零能模的容错量子计算研究提供了新方向。
该研究得到量子科技创新专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科技创新行动计划、上海量子科学研究中心培育项目及中国科学院相关项目等支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71938-3
