2024年9月13日晚，由世界杯预选赛买球、北京现代物理研究中心主办的“世界杯预选赛买球物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第二十七期）在世界杯预选赛买球理科教学楼203教室举行。中国科学院物理研究所研究员高鸿钧院士应邀讲授“基于铁基超导体的有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列”（Ordered and Tunable Majorana-zero-mode Lattice in Iron-based Superconductors）。本期讲堂由世界杯预选赛买球院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

马约拉纳费米子是由物理学家马约拉纳（E. Majorana）于1937年预言的一种基本粒子，具有电中性且反粒子是其自身。在凝聚态物理的材料体系中，被拓扑缺陷束缚的马约拉纳准粒子，其产生湮灭算符满足自共轭关系，通常呈现出零能电导信号，被称为马约拉纳零能模。理论证明，马约拉纳零能模满足非阿贝尔任意子统计规律，对其进行编织操作，被认为是实现容错拓扑量子计算的主要路径。发现马约拉纳零能模，是世界科技前沿竞争激烈的战略制高点之一。

与超导-半导体纳米线、磁性原子链、拓扑绝缘体/超导异质结等材料体系相比，铁基超导体具有单一组分、高温超导、本征拓扑等优异性能，可以避免复杂的材料结构设计和极低温的观测条件等，是研究马约拉纳零能模的理想载体。尽管人们已在Fe(Te_0.55Se_0.45)、(Li_0.84Fe_0.16)OHFeSe、CaKFe₄As₄及杂质辅助的锂铁砷（LiFeAs）中发现了马约拉纳零能模，然而，这些材料体系存在由于自掺杂引起的体态不均一、涡旋阵列无序且不可控、拓扑涡旋占比低等瓶颈，阻碍了进一步研究和应用。因此，如何获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列，是当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。

高鸿钧表示，马约拉纳零能模的阵列和相互作用可以被外磁场很好地调控，为下一步实现马约拉纳零能模编织及拓扑量子计算奠定了坚实基础

高鸿钧首先重点讲解了团队针对LiFeAs开展的细致、深入的研究。实验发现，应力可以诱导出大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模格点阵列：一是，晶体中的自然应力可诱导产生双轴电荷密度波条纹，沿着Fe-Fe和As-As晶格方向，其波长分别为λ₁～2.7 nm和λ₂～24.3 nm。二是，波长为λ₂的双轴电荷密度波对超导能隙具有明显的调制作用，即当施加垂直于样品表面的磁场后，形成的磁通涡旋全部被钉扎在超导序较弱的As-As方向电荷密度波条纹上，形成有序的涡旋阵列。三是，双轴电荷密度波的存在可降低晶体对称性，从而改变了费米能级附近的拓扑能带结构，使得超过90%的磁通涡旋中心具有马约拉纳零能模，形成高度有序的马约拉纳零能模阵列。四是，这种有序的马约拉纳零能模阵列可被外磁场调控，随着磁场增加，涡旋间距减小，马约拉纳零能模之间的相互作用开始凸显。这些研究结果表明，大面积、有序、可调的马约拉纳零能模阵列可以在LiFeAs中稳定存在，为实现拓扑量子计算提供了重要的高质量研究平台。

随后，高鸿钧借助直观的视频演示介绍了团队近些年来围绕低维纳米功能材料的分子束外延可控制备、生长机制、物性调控及其在未来信息技术中的原理性应用所做出的一系列具有国际领先水平的代表性工作。

高鸿钧带领团队在低维纳米量子体系构造与物性调控方面展开系统研究，为低维量子结构的构造、物性调控及其原理性应用奠定了基础

例如，利用自主设计组装、具有国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统，通过连续可控改变针尖与FeTe_0.55Se_0.45单晶样品之间的隧穿耦合强度，观测到磁通涡旋中马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征，给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据。

又如，通过扫描探针操控技术首次实现了对石墨烯纳米结构的原子级精准的可控折叠，构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构；应用扫描隧道谱与第一性原理计算确定了折叠石墨烯的纳米结构的精确原子构型与局域电子态结构，发现通过石墨烯“纳米折纸术”得到的准一维纳米管异质结具有不同的能带排列方式。

以及，采用分子束外延生长方法制备出大面积、高质量的石墨烯及类石墨烯二维原子晶体材料（硅烯、锗烯、铪烯、锑烯等）。这些材料体系多数为国际上首次创制，不仅丰富了二维原子晶体材料库，而且为探索其物理特性和潜在的应用奠定了基础。随后，发展了一种构建纳米级精准规则图案的方法，首次构筑出两种基于过渡金属硫族化合物、具有选择性功能化特性的“纳米尺度的自然图案”材料（二硒化铂、硒化铜）。

现场师生沉浸在低维纳米功能材料的新奇物理现象中

课后，高鸿钧就扫描隧道显微学及其在低维量子结构研究中的应用、构建通用量子计算机亟需攻克的难关等回答了同学们的提问。他讲述了上世纪九十年代在世界杯预选赛买球无线电电子学系跟随吴全德院士、薛增泉教授攻读博士研究生，在中国科学院北京真空物理实验室创建纳米物理与器件研究团队的早期学术成长经历，分享了自己三十年来在对未至之境的前沿探索中所面临的挑战、在对科学事业的执着坚守中所收获的“从0到1”的突破，以及在“基础”和“交叉”的融通并进中将“不可能”变成“可能”的跨越。他引用费曼（R. P. Feynman）一篇经典演讲的标题“于微纳处天地宽”（There is plenty room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics），邀请年轻有为的北大物理人加入“大有可为”的纳米材料领域。

高鸿钧（一排左三）、高原宁（一排左一）等与物理学院2024级新生相聚在中秋节前夕的课堂上

固态量子器件北京市重点实验室副主任廖志敏教授、世界杯预选赛买球院长助理马文君教授及物理学院、电子学院相关专业研究生和博士后现场出席。