被推翻的科學發現
《科學 》期刊首次發表負面結果的報告,發現在毫米級的量子反常霍爾絕緣體與超導體的異質結中的半整數量子化電導平臺的邊緣電流不是由手性馬約拉納費米子導致。
手性馬約拉納費米子
2010 年，著名華人物理學傢、斯坦福大學Shou-Cheng Zhang教授團隊首次從理論上預言瞭在量子（反常）霍爾絕緣體與超導體的異質結中可以產生手性馬約拉納費米子，但沒有給出具體的實驗測量方法。2015年，Shou-Cheng Zhang教授團隊提出在量子反常霍爾絕緣體與超導體異質結中的手性馬約拉納費米子可以表現為電學輸運測量中的半整數量子化電導平臺。2017年，美國加州大學洛杉磯分校K. Wang教授團隊與Shou-Cheng Zhang教授團隊、加州大學歐文分校的Jing Xia教授團隊合作，在毫米級量子反常霍爾-超導樣品的磁疇反轉區域“實驗上觀測”到瞭半整數量子化電導平臺，並解釋其為手性馬約拉納費米子( “天使粒子”) 所導致，認為這是量子反常霍爾效應平臺系統中第一個具有確鑿證據的手性馬約拉納費米子實驗測量結果，引起巨大轟動。
近日，美國賓夕法尼亞州立大學Cui-Zu Chang助理教授、Moses. H. W. Chan教授和Nitin Samarth教授、以及德國維爾茲堡大學 Laurens W. Molenkamp教授課題組合作，發現在毫米級的量子反常霍爾絕緣體與超導體的異質結中的半整數量子化電導平臺的邊緣電流不是由手性馬約拉納費米子導致。相關工作以“Absence of Evidence for Chiral Majorana Modes in Quantum Anomalous Hall-Superconductor Devices”為題， 於2020年1月3日在《科學 》期刊上以Report 的形式在線發表。 這一文章是《科學 》期刊首次發表負面結果的Report。期刊編輯及三位特邀審稿人均給出高度評價，一致認為該工作對消除業內過去幾年來在手性馬約拉納費米子實驗測量方面存在的疑惑和爭議具有重要意義。
根據理論預測，手性馬約拉納費米子存在必須具備兩個先決條件：（1）穩定的量子反常霍爾絕緣體體系；（2）量子反常霍爾絕緣體與超導體之間必須具有良好接觸。在最新的實驗工作中，除理論模型中提出的將超導體條帶放置到量子反常霍爾絕緣體表面形成異質結之外，研究者還在相同的器件上用同種超導體制備瞭納米級超導探針以此來表征量子反常霍爾絕緣體與超導體的接觸情況，如圖1所示。利用超導納米探針結構，研究者測量瞭在直流偏置下超導體和量子反常霍爾絕緣體的微分電導。在實驗中，該納米探針在直流偏置下的微分電導符合安德列夫反射模型，在零直流偏置相比高偏置下的微分電導產生瞭近兩倍的增強效應。這一實驗結果證明瞭超導體和量子反常霍爾絕緣體之間建立瞭近乎理想的接觸，如圖2所示。
在驗證上述兩個先決條件之後，研究者嘗試對跨越超導體的兩端法電導進行測量。實驗測得的兩端法電導出現瞭與理論預期以及2017年實驗文章中完全不同的結果。在2015年理論預期和2017年實驗文章中，半整數量子化與整數量子化電導平臺共存。然而在最新實驗中並沒有出現整數量子化電導平臺，半整數的量子化電導平臺不僅出現在理論預言的特定磁場范圍內，更是出現在瞭整條霍爾曲線之中，如圖3A所示。並且，這一量子化電導甚至在外加磁場超過瞭超導體臨界條件下仍然存在。
最初的實驗結論錯誤
新的實驗現象已經很難用手性馬約拉納費米子理論預言中的物理模型進行解釋。歷經一年，Cui-Zu Chang教授團隊測試瞭三十多個樣品均表現出瞭同樣的結果。於是，對這一現象背後的物理進行瞭深入的探討之後，研究者認為: 由於量子反常霍爾絕緣體緊密接觸的超導體將兩側的量子反常絕緣體進行瞭簡單電學連接, 這一“短路”電路導致瞭觀測到的半整數量子化電導平臺。研究者還發現兩端法測量的電導平臺的數值依賴於量子反常霍爾絕緣體上面超導體條帶的數目，如圖4所示 。這一實驗觀測進一步驗證瞭所觀測到的半整數量子平臺是由於“短路”所致，而非由於“天使粒子”所致。
此外，研究者還通過在量子反常霍爾絕緣體與超導體之間人為添加絕緣層來系統改變其接觸電阻大小，也沒有觀測到2015年理論預測以及2017年實驗報道的結果。這些實驗結果表明，對“天使粒子”的追尋之路並沒有想象中容易，唯有一步一步腳踏實地，對實驗結果永遠持有著審慎態度，才有可能捕捉到真正的“天使粒子”。