（通讯员 汪晓旭）8月25日，《npj计算材料》（npj Computational Materials）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心徐刚教授课题组题为“Multiple Majorana zero modes realization based on superconducting topological crystalline metal ZrRuAs”的研究成果。中心博士生汪晓旭为论文第一作者，徐刚教授和邹金雨讲师为论文通讯作者。
马约拉纳费米子是一种反粒子等于其自身的新奇粒子，在凝聚态物理中以准粒子激发的形式存在于拓扑超导体的边界上，称为马约拉纳零能模。由于其独特的非阿贝尔编织属性和拓扑稳定性，成为了构筑拓扑量子比特，实现拓扑量子计算的关键。由对称性保护的多重马约拉纳零能模具有易受外场调控的特点，在马约拉纳零能模的编织和操控上展现出独特优势，近年来逐渐成为前沿的重点研究对象。此前，实现多重马约拉纳零能模的方案都是基于晶体拓扑绝缘体与超导体的异质结，利用多重表面狄拉克锥与超导近邻效应实现高BdG陈数的二维拓扑超导态。然而，超导近邻效应具有界面复杂度高，平庸束缚态干扰等问题，对实际实验的制备和探测十分不利。因而设计寻找更干净简单的方案体系对实现多重马约拉纳零能模至关重要。
图1 高BdG陈数拓扑超导体实现方案示意图。（a）ZrRuAs的晶体结构及ZrRuAs/FMI异质结示意图。（b）ZrRuAs布里渊区及表面的二重狄拉克锥，ZrRuAs的超导电性为表面态加入超导配对。（c）在考虑时间反演对称性破缺后，可打开二重狄拉克锥进入BdG陈数为2的拓扑超导态。
超导拓扑金属，同时具有超导电性和拓扑能带属性，避免了复杂的超导近邻效应，是当前实现拓扑超导的最佳方案之一。如Fe(Se,Te)（徐刚等, PRL 2016），已成为马约拉纳零能模和拓扑量子比特的重要实验平台。在本工作中，团队进一步提出超导拓扑晶体金属，同时拥有超导电性以及晶体对称性保护的拓扑能带结构，这自然地为表面上的多重狄拉克锥引入了超导配对。模型计算表明，通过时间反演对称性的破缺，发生超导配对的一对狄拉克锥打开能隙将贡献相同的陈数，因而可以驱动系统进入高BdG陈数的二维拓扑超导态，在边界上存在由镜面和时间反演联合对称性保护的多重马约拉纳零能模。
图2 （a）ZrRuAs/GdI2的拓扑相图，超导配对能隙为Δ=1.2meV。（b）Wilson loop计算显示BdG陈数为2。
团队利用第一性原理，计算预测了理想的候选超导拓扑晶体金属材料ZrRuAs（镜面陈数为2，超导能隙为1.2meV），并找到与之晶格匹配的铁磁绝缘体GdI2。通过构造两者的异质结，计算发现：一方面，ZrRuAs与GdI2之间的电荷转移将界面处狄拉克点的能量高度拉到了费米能级附近，减小了实验上进行电子掺杂调控的难度；另一方面，磁近邻效应为界面态引入自旋劈裂，破坏了时间反演对称性。因而，在界面处的两个狄拉克锥被超导配对与自旋劈裂打开能隙，驱动系统进入BdG陈数为2的拓扑超导态，从而在边界实现多重马约拉纳零能模。该工作为实现对称性保护的拓扑超导体提供了新的思路与材料平台，有望加速马约拉纳零能模的调控研究和拓扑量子比特的构筑。
该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41524-026-02292-7
