2024年12月5日，国际权威学术期刊《ACS Nano》 在线刊发了我院凝聚态物理研究所傅华华教授课题组题为“Chirality-Induced Majorana Zero Modes and Majorana Polarization”的研究论文。华中科技大学为该论文唯一单位，傅华华教授为该论文通讯作者，该课题组博士生陈松同学为第一作者。该工作是该课题组今年发现手性诱导的自旋选择效应（CISS）的一新类型，即PCISS效应后[Nano Letters, 2024, 24, 6210-6217]，在该效应研究方向上的另一个重要进展：即：PCISS效应及环状手性材料，将为激发“新奇粒子”—马约拉纳（Majorana）费米子提供新机制和有效材料平台。

我们知道马约拉纳费米子是拓扑超导体出现的一种特殊准粒子，由于其非阿贝尔交换统计特性，该类费米子在容错量子计算中具有巨大的应用潜力；因此，近些年在学术界引起了极大关注。但当前，理论上建议实现Majorana零模主要是采用拓扑绝缘体、半导体纳米线、磁性原子纳米子线等，耦合超导体或相位偏置约瑟夫森结来实现。但实验上，准确地观测到Majorana零能模、并对其进行有效调控和检测，至今仍然较为困难。

手性诱导的自旋选择效应是一种新奇的自旋相关现象，指在没有任何外磁场下，电子在非磁性手性材料输运时产生较强的自旋极化。该现象可以在纯有机手性分子体系（如DNA链），且在高温下、甚至近室温下能稳定存在，为设计新型自旋电子学器件提供新机遇。今年，该课题组提出在环状手性分子内，也可激发CISS效应，并将该效应推广到平衡态输运过程，即PCISS效应。该课题组最近研究发现，如果将该类手性材料与s波超导体耦合，且在一定外磁场下，当手性分子断开后，环状手性分子将在其断开处产生Majorana零模，见图1所示。为了明确其手性材料体系可激发该类零维拓扑态，作者计算了其拓扑不变量（Z₂数）和零偏压电导峰，发现该两物理量在外磁场和格点电势的相图完美吻合，见图2(a)和2(b)，说明Majorana零模的存在；同时，进一步计算手性分子环断开后的电子态密度分布，发现其两端存在着较强的局域化态密度，见图2(c)和2(d)所示，证实Majorana零能模的存在。更重要的是，该Majorana零能模与材料结构手性密切相关，即：结构手性消失，该Majorana零模也随之消失；且当材料左手性调整为右手性时，Majorana零模的极化方向也随之反向；因此，论文作者称该现象为“Chirality-induced Majorana zero modes(手性诱导的Majorana零模)”。

考虑到图1器件中采用的外磁场，有可能破坏超导体的Cooper对并压制超导能隙，不利于实验上对Majorana的观测，该课题组随即给出了第二种器件设计，即在无外磁场下，环状手性螺旋分子耦合链与相位偏置约瑟夫森结耦合，来实现手性诱导的Majorana零模，见图3(a)所示。其理论计算显示，拓扑不变量（Z₂数）与零偏压电导峰两物理量，在相位偏置参数空间的相图也完美吻合，同样说明手性诱导的Majorana零模的存在，见图3(c)和3(e)所示。同时，手性分子链内电子态密度显示，该Majorana零模存在于环状手性分子耦合链的两端，且该Majorana极化同样表现出与材料手性的依赖关系，见图3(g)-3(h)所示。

该工作给出了实现Majorana费米子的新物理机制和新材料体系；较以前产生Majorana的物理机制，有着诸多优势。如：（1）手性材料的CISS效应及其导致的自旋极化，可在纯有机手性材料内稳定存在，为实验上实现Majorana费米子提供了另一类材料体系；（2）手性诱导的Majorana费米子可被材料的结构手性调控，该特性为操控Majorana费米子提供了新的有效手段；（3）该工作报道的Majorana费米子的产生及其Majorana极化与CISS效应密切相关，说明手性材料内CISS效应所产生的自旋极化电荷流，可为探测Majorana零模提供了有效实验手段。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10395

图1.上图：环状手性螺旋分子与s波超导耦合的器件模型；下图：环状手性分子断开后，在开环处的两端出现与结构手性密切相关的Majorana零能模。

图2.(a)和(b)拓扑不变量（Z₂数）与零偏压电导峰，在外磁场和格点在位势两参量下的相图。(c)和(d)Majorana零能模在环状分子断开处的形成及Majorana极化特性。

图3. (a)和(b)环状手性分子耦合链与相位偏置约瑟夫森结近邻耦合的理论模型；(c)-(f)拓扑不变量(Z₂数)、零偏压电导峰的形成，及其在偏置位相空间的相图；(g)-(i) Majorana零能模在环状手性分子耦合链的分布及其和与结构手性的依赖关系。