作者:黄辛 冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2016/6/23 7:58:33
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找到马约拉纳费米子:或敲开量子计算机世界大门

贾金锋在实验室检测试验结果

■本报记者 黄辛 冯丽妃

6月22日,以中国上海交通大学领衔的合作团队宣称,他们已经找到了过去近80年来物理学家一直在苦苦探索的一种基本粒子——马约拉纳费米子。研究或帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。

这项基于超导材料等一系列创新成果的发现,被国内外科学家认为是该领域的一个里程碑,为研究马约拉纳物理及后续实验打开了一扇新窗口。相关成果6月22日在线发表于《物理评论快报》。

揭开神秘粒子的“面纱”

在物理学最小的基本粒子世界里有着“两大家族”:费米子家族(如电子、质子)和玻色子家族(如光子、介子)。一般认为,每一种粒子都有其反粒子,如费米子与其反粒子就像一对长相一样但脾气相反的孪生子,一见面就“大打出手”,产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。

1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中或存在一类特殊费米子,该粒子与其反粒子长相、脾气完全相同,这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。粒子物理标准模型里的中微子或是一种潜在的马约拉纳费米子。但要证明这一点非常困难。

2016年年初,中国科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。上海交大贾金锋研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组,南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮等合作,率先观测到拓扑超导体涡旋中存在该粒子的重要证据。“事实上,我们发现的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子,而是一种准粒子,但它同样符合马约拉纳的预言。”贾金锋说。

准粒子是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法,即把传统意义上某种粒子集体行为的某些表现,看作是一个粒子的行为。这样可以简化模型,便于正确表述某些具体物理现象背后的机理。

“粒子和准粒子就像球员和球队的关系。”贾金锋比喻说,“我们可能不了解队中每个球员的特点以及球员之间的配合情况,但整支球队却像一个准粒子一样,可以比较简单地被认识。”

拓扑超导与原子指针

几年前,理论物理学家曾预言,马约拉纳费米子可能存在于拓扑超导体的涡旋中心。然而,自然界中却一直未能发现拓扑超导体。那么,贾金锋团队是怎样使马约拉纳费米子“露面”的呢?

“理论预言,在拓扑绝缘体上放置超导材料就能实现拓扑超导。”贾金锋说,“这听起来容易,但在材料科学领域却是一大难题。而且由于上方超导材料的覆盖,马约拉纳费米子很难被探测到。”

对此,研究团队在2012年另辟蹊径,把超导材料放在了拓扑绝缘体下面,直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上,为寻找其踪迹奠定了重要的材料基础。

2014年底,一篇理论文章预言了马约拉纳费米子的磁学性质。贾金锋敏锐地意识到,可以用自旋极化的扫描隧道显微镜探测马约拉纳费米子。“地球有南极和北极,磁性材料表面的不同位置也有南与北。”他说,“自旋极化的扫描隧道显微镜的针尖具有磁性,它就像一个‘原子指南针’,能准确探测一个原子的磁性特征,帮助我们找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的马约拉纳费米子。”

由于该粒子磁性极弱,研究团队与南京大学合作,利用其刚刚建设的一台40毫开的灵敏、低温扫描隧道显微镜系统,在人造拓扑超导薄膜表面的涡旋中心进行了仔细测量。2015年年底,合作团队终于直接观察到该粒子存在的有力证据。“我们观察到了由马约拉纳费米子引起的特有自旋极化电流,这是其存在的确定性证据。”贾金锋说。

随后,他们又与浙大合作进行了理论计算等工作。2016年初,研究发现,理论计算结果完全支持实验观测到的结果。通过反复对比实验,研究人员认为,只有马约拉纳费米子才能产生这种自旋极化电流的现象。至此,马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开。

或推进量子计算

这是科学家首次观测到马约拉纳费米子的自旋相关性质,同时也提供了一种用相互作用调控马约拉纳费米子存在的有效方法,还为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接测量的办法。

“这项实验把最高水平的样品生长和扫描隧道显微镜测量结合在一起,在一个真空室中完成,是一项‘旷世科学杰作’。”美国科学院院士、麻省理工学院教授Patrick Lee评价说,“这是第一个研究涡旋中马约拉纳态自旋相关特性的实验,实验数据与理论预期呈定性一致,强烈说明马约拉纳态的存在,为研究马约拉纳物理打开了一扇新窗口。”

清华大学副校长薛其坤院士认为,该团队在国际上首先制备出拓扑绝缘体/超导体异质结是材料科学的一个突破,也使其“在这场竞赛中占据了战略制高点”。此次研究不仅首次证明了马约拉纳粒子模的存在,也使利用其进行拓扑量子计算成为可能。

“这项研究更关键的是在极小的磁场下发现了马约拉纳费米子,说明拓扑绝缘体—超导体异质结是一个非常可靠的材料平台,具有潜在的器件应用前景。”该研究合作者傅亮说。

科学家预期,马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择之一。与普通计算机通过二进制方式处理数据不同,基于量子物理机理计算机数据处理速度惊人。它们能对海量已经合成的新材料,乃至对未合成的概念材料进行精确高效的计算,为材料科学带来革命性的进步。

然而,迄今尚未制造出量子计算机的一个重要原因是,目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定,电磁干扰或物理干扰可轻松打乱其本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身,它的状态非常稳定。这些属性或是使量子计算机的制造变成现实的一个关键,贾金锋说。

也有科学家认为,至今尚未直接观测到的中性超对称费米子,很可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质,而这种中性超对称费米子可能就是一种马约拉纳费米子。因此,此次观测到复合的马约拉纳费米子,或让揭开暗物质谜团又近了一步。

《中国科学报》 (2016-06-23 第1版 要闻)
 
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2016/6/23 10:46:40 alienBB
中科大量子计算机上天入地,原来是不可行的。
2016/6/23 10:45:32 alienBB
这些研究是不是否定了忽悠了很久的量子计算机?

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然而,迄今尚未制造出量子计算机的一个重要原因是,目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定,电磁干扰或物理干扰可轻松打乱其本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身,它的状态非常稳定。这些属性或是使量子计算机的制造变成现实的一个关键,贾金锋说。
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