近期，量子物質科學協同創新中心、beat365量子材料科學中心劉雄軍研究員和該組成員陳章博士在Phys. Rev. Lett.發表論文（PRL 118, 207002 (2017)），指出三維外爾半金屬中在出現FFLO類型的超導配對時，可在其渦旋線中出現由第二陳數保護的手征無能隙馬約拉納（Majorana）激發，并證明該類手征Majorana激發在渦旋環（vortex ring）結構下，滿足3-loop型的3D非阿貝爾統計特性。
尋找新型馬約拉納費米準粒子是近年凝聚态物理中的重要研究課題。馬約拉納準粒子的特征與所在超導體系的維度有着重要的關系。其中，由陳數（Chern number）保護的具有手征特性的馬約拉納準粒子通常存在于偶數維超導中，原因陳數是在偶數維空間中所定義。然而，在本工作中，陳章和劉雄軍研究三維外爾半金屬發現，當系統處于FFLO類型的超導配對時，在超導的渦旋線激發中出現手征無能隙馬約拉納态，且進一步表明，該手征特性的馬約拉納模不能由在二維空間定義的第一陳數保護。為此作者在原本的三維真實空間上，以超導相位作為參數空間，引入人工維度，進而研究由真實空間加人工維度形成的人造四維空間拓撲特性。他們計算發現在該四維空間中，系統的第二陳數非零，且提供了對前述渦旋線中手征馬約拉納态的拓撲保護。這個結論存在一系列非平凡推論，其中最有趣的是當考慮渦旋環結構時，該手征馬約拉納态可滿足3-loop型的3D非阿貝爾統計。這對于研究高維空間的非阿貝爾統計性質以及新型拓撲物态提供了實際物理平台。
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| Fig. 1：(a,b) Chiral gapless Majorana modes existing in the FFLO phase of a 3D superconducting Weyl semimetal, moving along the vortex lines and being protected by emergent 2nd Chern numbers; (c) In the BCS phase, no chiral Majorana modes, instead, the Majorana zero flat bands are obtained. |
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| Fig. 2：The chiral Majorana modes in vortex rings obey 3D non-Abelian loop-braiding statistics. (a) sketch for a single braiding; (b) the sketch for a full braiding. |
該工作由陳章博士後為第一作者，劉雄軍研究員為通訊作者。文章得到國家自然科學基金，科技部重點專項，和國家青年千人基金的支持。
