如何評價賈金峰教授團隊發現馬約拉納費米子？

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寫在另一個相關問題下的。

本人研究方向跟馬約拉納准粒子相關。

這個工作的確挺重要的，算是走在國際最前列的實驗課題之一了。但是比較遺憾，遠遠沒有到諾獎級別。

首先，這個馬約拉那（Majorana）費米子並不是真正的基本粒子，而是一種通過超導體的Cooper對的海洋中構建出來的滿足Majorana費米子性質的准粒子。真正的Majorana費米子指的是其反粒子為其本身的費米子。這對於費米子而言是很奇特的。舉例子，電子反粒子是正電子，正電子與電子電荷量互為相反數，兩者為不同粒子，因此電子不是Majorana費米子。

其次，目前已經發表的關於凝聚態體系中的Majorana准粒子，或者說是Majorana mode的實驗文章都不能算是直接證明了其存在，我認為還都是間接證據，只有證明了其「反粒子為其本身」的性質才算是最為直接的證據。當然這個是非常之難的。

如果有一天真的證明了在凝聚態體系中可以構建出Majorana費米子，理論上來說對於實現量子計算和量子信息的儲存是非常重要的。當然，證明完了存在性，還要進一步研究如何操作這些奇特的准粒子們。

先寫這麼點吧，如果大家有興趣我再補充。

另外，還是很佩服賈老師的小組的。。。。

作者：格物致知

鏈接：如何看待中國科學家發現凝聚態體系馬約拉納費米子型零能態？ - 格物致知的回答

來源：知乎

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1. Selective equal-spin Andreev
reflections[1]

賈金峰團隊的工作是基於2014年K. T. Law提出的selective equal-spin Andreev reflections。Selective equal-spin
Andreev reflections是Majorana zero modes的固有性質，可以作為Majorana zero modes存在的實驗判據。具體地，如圖1所示，考慮一維正常相導線–一維拓撲超導體系統。Majorana zero modes局域分布於一維拓撲超導體兩端。如圖1(a)，入射電子自旋方向和Majorana zero modes自旋極化方向平行時，其將反射為空穴返回，但保持自旋方向不變，即為equal-spin Andreev
reflections。相反地，如圖1(b)，入射電子自旋方向和Majorana zero modes自旋極化方向反平行時，其將不變地原路返回，不發生Andreev reflections。該現象即為selective equal-spin Andreev
reflections。

Majorana
zero modes自旋極化方向一定時，入射電子不同的自旋極化方向對隧穿微分電導dI/dV譜產生影響。如圖1(c)，δθ為入射電子自旋極化方向與Majorana zero modes自旋極化方向之間的夾角，隨著δθ逐漸增加，零壓電導峰峰值維持2e2/h不變，但峰寬逐漸增大。因此，入射電子不同自旋極化方向下dI/dV譜的變化可以作為Majorana zero modes存在的間接證據。

2. 利用slective
equal-spin Andreev reflections探測Majorana
zero modes[2]

2008年，傅亮和Kane提出，s波超導體–強拓撲絕緣體系統界面類似無自旋的px + ipy超導體，在磁通渦旋芯處會產生Majorana zero modes[3]。基於selective equal-spin Andreev reflections及傅亮和Kane的理論方案，賈金峰等利用自旋極化的鐵磁針尖探測Bi2Te3–NbSe2異質結表面的磁通渦旋芯，以期觀測到Majorana
zero modes。在磁通渦旋芯中心處，Majorana zero modes的自旋極化方向一定，即沿外磁場方向，而在磁通渦旋芯中心外，Majorana zero modes的自旋方向則呈現一定分布，沒有特定的極化方向。那麼在磁通渦旋芯中心處，鐵磁針尖的自旋極化方向平行或反平行於外磁場方向時將會產生selective equal-spin
Andreev reflections，而在磁通渦旋芯中心外則不會發生。

圖2是賈金峰團隊在磁通渦旋芯中心處觀測到Majorana zero modes的主要結果，其中B是外磁場方向，也即磁通渦旋芯中心處Majorana zero modes的自旋極化方向，M是鐵磁針尖的自旋極化方向。對於鐵磁針尖的自旋極化方向平行（B↑M↑，B↓M↓）和反平行（B↑M↓，B↓M↑）於外磁場方向的兩類情形，隧穿微分電導dI/dV譜中的零壓電導峰峰值有顯著差異。具體地，B↑M↑、B↓M↓情形時的零壓電導峰峰值比B↑M↓、B↓M↑情形高14%。

進一步的控制實驗中，例如在磁通渦旋芯中心外、在3 QL Bi2Te3–NbSe2、NbSe2的磁通渦旋芯中心處作dI/dV譜，對於鐵磁針尖的自旋極化方向平行（B↑M↑，B↓M↓）和反平行（B↑M↓，B↓M↑）於外磁場方向的兩類情形，零壓電導峰峰值均未顯現顯著差異。以上結果說明在磁通渦旋芯中心處可能觀測到了Majorana zero modes。

3. 評論

(1)
「在磁通渦旋芯中心處，Majorana zero modes的自旋極化方向一定，而在磁通渦旋芯中心外，Majorana zero modes沒有特定的極化方向」，該結論是只在磁通渦旋芯中心處產生selective equal-spin Andreev
reflections的實驗基礎，但缺乏理論依據。

(2)
理論上說，零壓電導峰峰值的變化僅取決於鐵磁針尖自旋極化方向與Majorana zero modes自旋極化方向間的夾角，因此B↑M↑和B↓M↓情形、B↑M↓和B↓M↑情形的零壓電導峰峰值應分別相等，顯然該推論與圖2的實驗結果不符。

(3)
對於B↑M↑和B↑M↓兩情形下的零壓電導峰峰值，理論計算結果和實驗結果差異過大。

(4)
賈金鋒等的前期工作顯示，對於3 QL Bi2Te3–NbSe2系統，4.2 K時Bi2Te3超導並具有拓撲表面態[4]，意味著3
QL Bi2Te3–NbSe2系統在適當磁場下具有Majorana zero modes，而Ref. [2]並未觀測到Majorana zero modes的實驗跡象。

[1]
He J J, Ng T K, Lee P A, et al.
Selective Equal-Spin Andreev Reflections Induced by Majorana Fermions[J].
Physical Review Letters, 2014, 112(3): 037001.

[2]
Sun, Hao-Hua, Zhang K W, Hu L H, et al.
Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the
Vortex of a Topological Superconductor. Physical Review Letters 116.25 (2016):
257003.

[3]
Fu L, and Kane C L. Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at
the Surface of a Topological Insulator. Physical Review Letters 100.9 (2008):
096407.

[4]
Xu J P, Liu C H, Wang M X, et al. Artificial
Topological Superconductor by the Proximity Effect. Physical Review Letters
112.21 (2014): 217001.

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中國劃時代的高精技術井噴時代來臨了，諾貝爾獎有戲了，希望能活到頒獎那一天。

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