Tunable Topological Superconductivity by Fully Compensated Ferrimagnets
本文提出，全补偿亚铁磁基异质结构可作为实现并电学调控一维、二维及高维拓扑超导及其马约拉纳束缚态的通用平台，同时通过消除对外部磁场的依赖来保持超导相干性。
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在构建一种能够解决当今机器无法处理的问题的新型计算机的探索过程中，科学家们正在寻找一种非常特殊的粒子。他们正在搜寻一种被称为马约拉纳束缚态（Majorana bound state）的粒子。想象一种既是自身反粒子的粒子，这是一种罕见且难以捉摸的存在；如果能在合适的环境中被发现，它能以一种对外界噪声具有极高稳定性的方式来存储信息。这种稳定性是量子计算的“圣杯”，它承诺打造出的机器不会像目前的原型机那样容易崩溃或丢失数据。为了创造这些粒子，研究人员通常尝试混合两种相反的力量：超导性（电流无电阻流动）和磁性（通常会破坏这种流动）。挑战一直在于，用于创造这些粒子所需的磁场往往会破坏脆弱的超导状态，迫使科学家在控制力与稳定性之间做出选择。
北京理工大学的一个研究小组提出了一种可以完全避免这种权衡的解决方案。他们建议不使用产生净磁场的标准磁体，而是使用一种被称为全补偿亚铁磁体（fully compensated ferrimagnet）的材料。在这种材料中，磁性原子的排列非常完美，以至于它们的个体磁力相互抵消，使得材料本身不具备整体磁场，但仍保留了分裂电子能级所需的内部磁结构。通过将这种材料与超导体并置，研究人员展示了他们可以创建一个无需外部磁铁即可产生并控制这些特殊粒子的平台。
该团队的工作依赖于详细的计算机模拟和理论建模，概述了如何利用这种材料以三种不同的形状来创建这些粒子：线状、平面和角落。在一维设置中（即一根细丝位于磁性材料和超导体之上），模拟显示这些特殊粒子出现在导线的两端。至关重要的是，研究人员发现，只需施加电压，就可以开启或关闭这些粒子，或者移动它们。这种电压改变了磁性材料的内部能量景观，有效地在正常状态和粒子存在的状态之间切换系统。这与以往的方法有显著不同，以往的方法通常需要物理旋转磁体或施加强外部磁场才能实现类似结果。
研究人员还探索了当这种设置扩展到二维时会发生什么。在平坦的材料片中，模拟预测这些粒子会形成一条沿着材料边缘流动的流，就像河流绕着河岸流动一样。这条流的方向由材料内部磁排列的方向决定。通过改变这种被称为内尔矢量（Néel vector）的内部排列方向，研究人员展示了他们可以用电场来反转粒子的流动方向。这种仅通过电场和内部磁取向即可控制流动方向的能力，提供了操控这些量子态的新水平的精度。
或许最令人感兴趣的发现涉及一种被称为高阶拓扑相（higher-order topological phase）的更复杂形状。在这种情况下，粒子不会出现在边缘或导线的末端，而是专门被困在材料的角落里。模拟显示，研究人员可以通过旋转内部磁排列来决定哪些角落承载这些粒子。如果他们将排列指向一个方向，粒子就会聚集在一组角落；如果他们旋转它，粒子就会转移到其他角落。这种通过仅改变材料内部结构取向而实现的空间控制，暗示了一种通过改变设备内部结构来路由量子设备中信息的途径。
这项研究强调，不存在净磁场是成功的关键。在传统的设置中，来自磁体的杂散磁场往往会破坏电子的超导对，从而削弱科学家试图利用的效应。通过使用全补偿亚铁磁体，该系统在提供创造粒子所需的必要磁影响的同时，保留了超导性。研究人员指出，这种方法之所以奏效，是因为该材料允许利用电场来调节电子的能级分裂，这是在其他类型的补偿磁性材料中无法实现的特性。
虽然这些结果目前仍处于理论阶段且基于数学模型，但该论文提供了一条如何构建和测试此类系统的清晰路线图。作者建议，科学家可以使用扫描隧道显微镜等标准工具来寻找这些粒子，因为这类工具可以检测到这些粒子产生的独特电信号。他们还提出，通过测量热量如何在材料中流动，可以揭示边缘流的存在。这项工作并非声称已经制造出了一台工作的量子计算机，而是建立了一个多功能且可调谐的平台，可以在其中以空前的控制力创造和操纵这些粒子的条件。通过证明电场和内部磁取向可以取代庞大的外部磁铁，研究人员为实现可扩展且稳定的量子设备提供了一条充满希望的路径，这些设备有朝一日将为下一代计算提供动力。
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