npj: 刘锋教授发现的高Tc超导体秘密—Dirac节点线费米子

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超导和拓扑态是自然界中最迷人的量子现象之一。将这两种态在固体材料中纠缠成拓扑超导态（如Majorana费米子）将产生更奇特的量子现象。具有拓扑保护的无带隙表面/边缘态特征，存在于体材超导带隙中，包含了Majorana费米子。不幸的是，所有目前已知的拓扑超导体转变温度都非常低，限制了Majorana费米子的实验测量。

来自由美国犹他大学和中国量子物质协同创新中心的刘锋教授团队，使用第一性原理计算和模型分析，揭示了这种Dirac节点线态。最重要的是，他们用传统的s波超导带隙实现了拓扑超导相，用MgB 2 薄膜的拓扑边缘模式证明了手征边缘状态。他们的发现为在前所未有的高温下研究拓扑超导相提供了一个令人兴奋的机会，并可能为构建新型量子和自旋电子器件，提供有前途的材料平台。有可能在高温下实现对Majorana费米子的实验测量，将激发未来更广泛的超导材料拓扑相（如蜂窝状层状晶格结构）研究。

该文近期发表于 npj Computational Materials 5 : 57 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“ 阅读原文 ”可以自由获取论文PDF。

Topological superconducting phase in high-Tc superconductor MgB 2 with Dirac–nodal-line fermions

Kyung-Hwan Jin, Huaqing Huang, Jia-Wei Mei, Zheng Liu, Lih-King Lim & Feng Liu

Topological superconductors are an intriguing and elusive quantum phase, characterized by topologically protected gapless surface/edge states residing in a bulk superconducting gap, which hosts Majorana fermions. Unfortunately, all currently known topological superconductors have a very low transition temperature, limiting experimental measurements of Majorana fermions. Here we discover the existence of a topological Dirac–nodal-line state in a well-known conventional high-temperature superconductor, MgB 2 . First-principles calculations show that the Dirac–nodal-line structure exhibits a unique one-dimensional dispersive Dirac–nodal line, protected by both spatial-inversion and time-reversal symmetry, which connects the electron and hole Dirac states. Most importantly, we show that the topological superconducting phase can be realized with a conventional s-wave superconducting gap, evidenced by the topological edge mode of the MgB 2 thin films showing chiral edge states. Our discovery may enable the experimental measurement of Majorana fermions at high temperature.

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量子比特的相干性是指电子向右自旋和正电子向左自旋的状态相关联，和传统计算机不同，量子计算机的运算时间由于量子比特间的相干性的存在而有限制，经过一定的时间后，量子比特间一旦遇到外界实体的观测，会失去相干性，量子相干性衰减即为“退相干”，如果退相干时间不够长，就无法完成计算。为了发挥量子计算的优势，硬件上需要保证量子比特的相干性，拓扑超导材料有助于解决传统量子比特的退相干问题，提高其存活时间，对于量子计算机领域的重要性不言而喻。那么马约拉纳费米子跟拓扑边界态以及超导材料又有什么关系呢？具备拓扑以及超导这双重量子现象的新型超导材料，可以被认为是一种特殊的绝缘体，利用这一点，可以“哄骗”电子跑到这种材料的表面，将其转变为马拉约那费米子。用物理学家L·安德鲁·雷的话来说，具备这两种特性的“超导体是产生和控制马拉约那费米子的理想育儿所。”

中国在高温超导领域是世界领跑者

如何设计寻找拓扑超导材料，一直是研究人员关注的焦点。自然界中很多材料都只是单一的超导或者拓扑绝缘体，超导和拓扑两种状态很难在同一种物质中共存。以往的研究思路是借助外延生长将拓扑材料放置在超导材料上或将超导材料放置在拓扑材料上，通过邻近效应实现拓扑超导体。但这种复合材料对于生长工艺的要求十分苛刻，阻碍了拓扑超导材料研究的发展。