拓扑节点i波超导：PtBi2中马约拉纳平带的发现及其量子计算潜力

本文针对传统超导体配对对称性局限及本征拓扑超导材料稀缺的问题，在Weyl半金属PtBi2中通过角分辨光电子能谱（ARPES）首次发现具有i波配对对称性（l=6）的拓扑节点超导态。研究证实费米弧表面态在10K以下出现超导能隙节点，并理论预测该体系存在受拓扑保护的马约拉纳锥及铰链局域零能模，为拓扑量子计算提供了新型材料平台。

在超导研究领域，绝大多数材料属于传统s波超导体，其库珀对具有最高对称性。然而高温铜基超导体的d波配对机制打破了这一范式，证明非传统超导态的存在可能带来突破性应用。近年来，拓扑超导体的探索成为凝聚态物理前沿，因其可能孕育受非阿贝尔统计规律支配的马约拉纳费米子，这类准粒子被认为是构建拓扑量子比特的关键载体。然而，本征拓扑超导材料极其稀缺，现有候选体系如Sr_{24、Td-MoTe2等均存在实验证据矛盾或拓扑保护性不足的缺陷。}

本研究聚焦于Weyl半金属PtBi₂——一种具有12个Weyl锥的非中心对称材料。前期研究表明其拓扑表面态（费米弧）在10K以下呈现超导特性，但配对对称性一直未解。为突破实验精度极限，研究团队采用激光ARPES（光子能量6eV）将动量分辨率提升至2.2mÅ^-1，能量分辨率达1.7meV，首次清晰观测到费米弧能隙的各向异性分布。

关键技术方法包括：1）采用激光角分辨光电子能谱（ARPES）与费米面测绘仪（FeSuMa）对比分析；2）构建DFT（密度泛函理论）-BdG（Bogoliubov-de-Gennes）Wannier模型模拟表面超导态；3）基于C_3v点群对称性分类可能超导态；4）设计棱柱几何紧束缚模型理论预测马约拉纳铰链态。

研究结果

能隙节点证据

通过扫描费米弧上不同位置的领先能隙（leading edge gap），发现能隙在Γ-M方向（对应极角θ=0°）闭合，形成清晰节点。能隙大小随角度变化呈周期性，在θ=±90°达到最大值约2.5meV，并在θ=±125°因与体态混合而再次闭合。温度依赖测量显示能隙在10-15K关闭，与超导转变温度范围一致。

超导配对对称性判定

基于C_3v点群分析，排除A₁（无节点）和E（需破缺对称性）不可约表示，确定A₂对称性要求能隙函数正比于sin6φ，即i波配对（l=6）。DFT-BdG计算显示，当表面层引入V₀sin(6φ)形式配对势（V₀=15-20meV）时，理论能隙分布与实验高度吻合。

马约拉纳铰链态理论预测

通过构建棱柱几何紧束缚模型（无限延y方向，有限x-z方向），发现每个表面存在6个马约拉纳锥，且同表面锥体具有相同绕数（winding number）。这种绕数非零的“反常拓扑超导”态必然在样品铰链处产生零能、无色散的局域马约拉纳平带。计算表明，在k_y=1.3Å^-1处存在四重简并铰链态，其概率密度集中于棱柱边缘。

讨论与意义

PtBi₂是首个被证实具有i波配对对称性的拓扑超导体，其表面超导态同时具备马约拉纳锥与铰链态双重拓扑特征。尽管金属性体态可能干扰量子计算应用，但通过制备超薄样品或破坏时间反演对称性可实现马约拉纳零能模的分离操控。该研究为探索高阶拓扑超导态及构建拓扑量子器件提供了新范式。