作者:馨雨 来源:《国科大》 发布时间:2019/4/3 13:39:38
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寻找马约拉纳费米子:一桩物理学“悬案”终被破解

 

80多年前,意大利物理学家马约拉纳曾预测宇宙中存在一种神奇的粒子——马约拉纳费米子。然而,不知为何马约拉纳却神秘失踪,这种神秘粒子是否真的存在也就成了一桩“悬案”。后来,凝聚态物理学家将马约拉纳费米子的概念引入到固体材料中,即马约拉纳束缚态。由于它具有非阿贝尔统计的性质,可运用于拓扑量子计算机,因此,寻找马约拉纳费米子成为物理学界最前沿的研究热点。

近日,马约拉纳费米子“现身”了,主要发现者是中国科学院院士、中科院物理研究所研究员、中国科学院大学物理学院院长高鸿钧及其团队和中科院物理研究所研究员、中国科学院大学教授丁洪及其团队。

2018年8月17日,农历七月初七,七夕情人节。女生化好精致的妆容等候着下班与伴侣浪漫约会,每家餐馆门前都排起了“长龙”般的队伍,既有燕侣莺俦也有银发伉俪,大街小巷随处是玫瑰花的影子和香味……这一天,似乎空气中也布满了粉红色的泡泡。

天色渐晚,华灯初上。与外面热闹的世界不同,中科院物理所纳米物理与器件实验室N04组的房间里虽亦是灯火通明,但略显安静和“冷清”,只有范朋和一台庞大实验仪器还在工作着,他们“背靠背”通过4块电脑屏幕进行着无言的交流。

范朋是中国科学院大学2014级博士研究生(培养单位是中科院物理研究所),师从高鸿钧院士。他可能还未意识到,他们团队和中科院物理所研究员丁洪团队共同研究的一项重大成果正在引起一场爆炸式“轰动”,这可能是2018年中国物理学界送给国际物理学界最浪漫的“七夕礼物”。

小房间里孕育的“大”成果

这个礼物——首次在铁基超导材料中发现的马约拉纳束缚态(或称“零能模”、马约拉纳费米子),8月17日凌晨在线发表在science《科学》杂志上,范朋是第一作者之一。

位于中科院物理所A楼一楼的纳米物理与器件实验室,大约30平方米,高鸿钧团队自主设计、集成研制的极低温-强磁场-扫描探针显微系统占据着房间三分之二的空间,马约拉纳费米子就是在这个设备上观测到的。

1937年,意大利物理学家马约拉纳曾预测一种神奇的粒子:其反粒子就是它本身,人们便把这种神奇粒子称为“马约拉纳费米子”。然而,不久后,他便离奇失踪,再无踪迹,但他的预测真假与否却成了一桩“悬案”。

由于马约拉纳费米子具有一种极优的特性——当它以准粒子的形式出现在固体材料表面时,就会变成马约拉纳任意子(一种量子状态),这可以用来构造拓扑量子比特,应用于自容错、高稳定性的拓扑量子计算机。也就是说,如果成功,这将改写人类的历史。

不过,马约拉纳费米子是否真的存在,不同物理学家各持己见。直到2014年,丁洪团队与国外科学家合作发现了某些“蛛丝马迹”。2017年,将马约拉纳费米子命名为“天使粒子”的斯坦福大学讲习教授、美国科学院院士张首晟及其团队也进一步预测了出现马约拉纳束缚态可能合适的条件。

寻找马约拉纳费米子是物理学界最前沿的热点之一,许多物理学家都投入到相关研究中,竞争异常激烈。近年来,美国、荷兰、中国、丹麦等多个研究团队都曾宣称找到了马约拉纳任意子或者费米子的证据,但他们的实验,都需要构造工艺复杂的异质结构体系,并且需要极低温的条件。

高鸿钧和丁洪联合研究团队的观测结果被称为是一项里程碑式的发现,也成为人类攻克拓扑量子计算机难题中的重要一步。

它的价值很大。

这是第一次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳费米子,相比其他体系,该体系拥有更高温、更纯净、结构更简单的优点,同时,为马约拉纳费米子的研究开辟了新方向。

它的意义十分重要。

张首晟说,这项发现科学意义十分重大,大大推动了铁基超导的研究与马约拉纳费米子的研究。

诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士安东尼·莱格特认为,这次的实验比许多以前的实验更清晰,相信它是第一个可信的证明超导体中拥有马约拉纳准粒子的证据。

麻省理工学院讲习教授、美国科学院院士文小刚表示,它有很高的稳定度,这是一个重要的发现,使铁基超导材料有可能应用于构建对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

2019年年初,这项成果被中国科学院院士和中国工程院院士们列为“2018年中国十大科技进展”之一。

热爱+努力

成功的故事总是相似的。一项重大成果的取得,背后一定由无数个默默奋斗的深夜累积而成。

范朋和王东飞对整个实验经历记忆深刻。该研究始于2017年4月,从那时起,每天实验室-食堂-宿舍“三点一线”就成了他们的“日常”,时不时地通宵作为“加菜”。王东飞是范朋的师兄、2013级博士研究生,也是论文的第一共同作者。

这个实验需要利用He-3极低温强磁场扫描隧道显微镜对FeTe0.55Se0.45单晶样品进行观察。

一开始,他们并不知道哪些单晶样品能出“好的结果”,只能不断地尝试,一共测试了47块样品。5月,王东飞和范朋在尝试测试第二批样品时,电脑屏幕上突然显示出了一丝丝“小火苗”般马约拉纳费米子的迹象,他们很是惊喜,但同时也深知,这只是迹象,数据质量并不够好。

一个月后的6月5日,他们终于获得了第一套比较“漂亮”的数据——纯粹且不受干扰。他们立刻向高鸿钧和丁洪两位老师汇报了结果,老师们当即表示,这就是马约拉纳束缚态。

然而,他们并没有止步于此,科学家对于“纯”的追求永无止境。在导师的指导下,他们利用更高分辨率的He-3极低温强磁场扫描隧道显微镜完善数据。

“我们必须要快。”范朋说。因为,国内外还有很多个团队也在同时开展相关研究。

那是一段艰辛时光。王东飞、范朋、孔令元早上9点开始工作,时常在深夜12点甚至更晚才回宿舍或回家。而遇到关键时期——数据采集时,需要操作人员不间断地观察,每隔几分钟就需要分析一次数据,并及时调整测量参数,为了尽快拿到高质量结果,范朋与王东飞,以及孔令元3人轮班通宵,每个晚上2人一起结伴操作。而每找到一个好样品就要排一次班,每次持续2~3周的时间。

那也是一段充满成就感的时光,对他们来说,当看到数据一点点逼近理想值,所有辛苦早已烟消云散。

“传帮带”打造最强团队

包括这次首次在超导块体中发现马约拉纳任意子,高鸿钧团队在凝聚态物理及其应用领域创造了许多个“首次”和“第一”。

他们提出了基于单晶表面外延的高质量、大面积的石墨烯生长技术,在国际上率先实现了在Ru(0001)表面获得缺陷可控、1个厘米大小的、连续的单晶石墨烯;首次成功构筑了新型二维过渡金属单硫化物——单层硒化铜;在国际上首次实现单个自旋量子态的可逆操控及其在超高密度量子信息存储中的原理性应用;在国际上首次实现了朗德g因子原子尺度的空间分辨……

优秀成绩的取得,离不开一个好的团队成长机制,高鸿钧有自己的“带团”秘诀,而这个方法,能让每一位科研“新手”迅速成长。

2015年夏天,结束了研究生一年级的课程学习,范朋回到课题组后,导师并没有给他安排一个固定的研究方向,而是先跟着王东飞学做科研的“手艺”。刚开始的那两年,范朋参与了课题组里许多方向的研究,包括硫化钼、石墨烯纳米带、铁碲硒单晶……这些虽然都是纳米尺度的表征研究,但不同方向却有“很大差别”。

不聚焦在一个方向如何做深呢?有利于个人成长吗?

“凝聚态物理是与实际应用联系较为紧密的物理科学,研究热点会随着时间而变化,个人具体研究的内容也会随着热点而变。”范朋讲述着他的感悟。在找到自己感兴趣的研究方向之前,更多需要学习的是做科研的技能,从实验仪器怎么组装、实验器材如何买,到不同研究内容的文献调研、相关软件等“全套的”科研流程都需要了解一番,“只要跟科研工作有关的,都需要跟着老师和师兄们学一学,老师、师兄的师兄也会帮忙‘带’。”

在王东飞看来,“传帮带”是一个很好的模式,而在他们团队也早已成为一个传统。

“导师密切关注本领域最重要的发展前沿。导师设计和研制国际顶尖的仪器装备,然后带领团队开展强力攻关。”“刚进入科研领域,我们可能并不知道对哪个方向感兴趣,只有多学多看才知道自己想要什么,接触不同研究的过程也是寻找自己兴趣点的过程。”

王东飞说,通过初期的科研训练和对相关课题及研究方向的大致了解,学生会大致了解自己感兴趣的方向及自身的优势和劣势。有时导师还会帮助学生作分析,为学生作选择提供建议。“导师的学术视野非常广。”

“每周,同一个研究方向的成员都会开小组会,导师们听我们汇报最新进展,帮助我们解决遇到的问题。”范朋说。

此外,每周六上午,课题组都会召开文献报告,每位成员都需要用英语讲演某个方向的综述,或者是一项最前沿的科研进展。

除了“传帮带”和组内的交流讨论,广泛而密切的国际合作、鼓励学生与国际顶尖学术大咖对话,也是团队得以快速成长的又一秘诀。

来自美国、英国、德国等该领域国际顶尖科学家与课题组建立了或长期或短期的合作关系,每个季度,他们会来到物理所作报告,与学生就实验问题和成果进行交流讨论。

目前,范朋正在写作一篇关于TMD二维材料研究的研究论文,初稿已经完成,但他在与一位外籍科学家交流时,发现自己的论文有点“平铺直叙”,并没有突出工作亮点,在外籍科学家的指导下,他学到了如何在论文写作中突出研究亮点、理清逻辑思维,以及表达得简洁明了。“科研最终是要在国际舞台上展示的。实验做出来后,如何用英文汇报自己的学术成果,让别人听得懂、理解到研究亮点并接受,这很重要,也非常具有挑战性。”范朋说,

有时候,成长或许只在高手的一两句点睛言语之间。

从高鸿钧团队走出来的博士毕业生中,目前有3位在美国的著名大学做教授、一位在新加坡的著名大学做教授,有10多位在国内的著名大学和研究所做教授和研究员,如:中国人民大学、武汉大学、北京理工大学、西安交通大学和中国科技大学等,还有几位留在物理所工作。

“马约拉纳费米子的发现只是万里长征迈出的第一步,它的特性还需要探索研究。”今年2月,王东飞到德国汉堡大学应用物理与跨学科纳米科学中心研究所做博士后,继续着马约拉纳费米子的研究。

而对于即将结束博士生涯的范朋来说,也早已找到了自己的研究兴趣。未来,他希望走向更高的国际舞台,继续从事他所热爱的科研事业。

(本文作者系国科大2015级硕士研究生)

 
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