2024年9月13日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第二十七期）在beat365理科教學樓203教室舉行。中國科學院物理研究所研究員高鴻鈞院士應邀講授“基于鐵基超導體的有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列”（Ordered and Tunable Majorana-zero-mode Lattice in Iron-based Superconductors）。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。

馬約拉納費米子是由物理學家馬約拉納（E. Majorana）于1937年預言的一種基本粒子，具有電中性且反粒子是其自身。在凝聚态物理的材料體系中，被拓撲缺陷束縛的馬約拉納準粒子，其産生湮滅算符滿足自共轭關系，通常呈現出零能電導信号，被稱為馬約拉納零能模。理論證明，馬約拉納零能模滿足非阿貝爾任意子統計規律，對其進行編織操作，被認為是實現容錯拓撲量子計算的主要路徑。發現馬約拉納零能模，是世界科技前沿競争激烈的戰略制高點之一。

與超導-半導體納米線、磁性原子鍊、拓撲絕緣體/超導異質結等材料體系相比，鐵基超導體具有單一組分、高溫超導、本征拓撲等優異性能，可以避免複雜的材料結構設計和極低溫的觀測條件等，是研究馬約拉納零能模的理想載體。盡管人們已在Fe(Te_0.55Se_0.45)、(Li_0.84Fe_0.16)OHFeSe、CaKFe₄As₄及雜質輔助的锂鐵砷（LiFeAs）中發現了馬約拉納零能模，然而，這些材料體系存在由于自摻雜引起的體态不均一、渦旋陣列無序且不可控、拓撲渦旋占比低等瓶頸，阻礙了進一步研究和應用。因此，如何獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列，是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。

高鴻鈞表示，馬約拉納零能模的陣列和相互作用可以被外磁場很好地調控，為下一步實現馬約拉納零能模編織及拓撲量子計算奠定了堅實基礎

高鴻鈞首先重點講解了團隊針對LiFeAs開展的細緻、深入的研究。實驗發現，應力可以誘導出大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模格點陣列：一是，晶體中的自然應力可誘導産生雙軸電荷密度波條紋，沿着Fe-Fe和As-As晶格方向，其波長分别為λ₁～2.7 nm和λ₂～24.3 nm。二是，波長為λ₂的雙軸電荷密度波對超導能隙具有明顯的調制作用，即當施加垂直于樣品表面的磁場後，形成的磁通渦旋全部被釘紮在超導序較弱的As-As方向電荷密度波條紋上，形成有序的渦旋陣列。三是，雙軸電荷密度波的存在可降低晶體對稱性，從而改變了費米能級附近的拓撲能帶結構，使得超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模，形成高度有序的馬約拉納零能模陣列。四是，這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調控，随着磁場增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模之間的相互作用開始凸顯。這些研究結果表明，大面積、有序、可調的馬約拉納零能模陣列可以在LiFeAs中穩定存在，為實現拓撲量子計算提供了重要的高質量研究平台。

随後，高鴻鈞借助直觀的視頻演示介紹了團隊近些年來圍繞低維納米功能材料的分子束外延可控制備、生長機制、物性調控及其在未來信息技術中的原理性應用所做出的一系列具有國際領先水平的代表性工作。

高鴻鈞帶領團隊在低維納米量子體系構造與物性調控方面展開系統研究，為低維量子結構的構造、物性調控及其原理性應用奠定了基礎

例如，利用自主設計組裝、具有國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯合系統，通過連續可控改變針尖與FeTe_0.55Se_0.45單晶樣品之間的隧穿耦合強度，觀測到磁通渦旋中馬約拉納零能模的近量子化電導平台特征，給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據。

又如，通過掃描探針操控技術首次實現了對石墨烯納米結構的原子級精準的可控折疊，構築出一種新型的準三維石墨烯納米結構；應用掃描隧道譜與第一性原理計算确定了折疊石墨烯的納米結構的精确原子構型與局域電子态結構，發現通過石墨烯“納米折紙術”得到的準一維納米管異質結具有不同的能帶排列方式。

以及，采用分子束外延生長方法制備出大面積、高質量的石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料（矽烯、鍺烯、铪烯、銻烯等）。這些材料體系多數為國際上首次創制，不僅豐富了二維原子晶體材料庫，而且為探索其物理特性和潛在的應用奠定了基礎。随後，發展了一種構建納米級精準規則圖案的方法，首次構築出兩種基于過渡金屬硫族化合物、具有選擇性功能化特性的“納米尺度的自然圖案”材料（二硒化鉑、硒化銅）。

現場師生沉浸在低維納米功能材料的新奇物理現象中

課後，高鴻鈞就掃描隧道顯微學及其在低維量子結構研究中的應用、構建通用量子計算機亟需攻克的難關等回答了同學們的提問。他講述了上世紀九十年代在beat365無線電電子學系跟随吳全德院士、薛增泉教授攻讀博士研究生，在中國科學院北京真空物理實驗室創建納米物理與器件研究團隊的早期學術成長經曆，分享了自己三十年來在對未至之境的前沿探索中所面臨的挑戰、在對科學事業的執着堅守中所收獲的“從0到1”的突破，以及在“基礎”和“交叉”的融通并進中将“不可能”變成“可能”的跨越。他引用費曼（R. P. Feynman）一篇經典演講的标題“于微納處天地寬”（There is plenty room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics），邀請年輕有為的北大物理人加入“大有可為”的納米材料領域。

高鴻鈞（一排左三）、高原甯（一排左一）等與beat3652024級新生相聚在中秋節前夕的課堂上

固态量子器件北京市重點實驗室副主任廖志敏教授、beat365官方网站院長助理馬文君教授及beat365、電子學院相關專業研究生和博士後現場出席。