8日，《自然》發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于馬約拉納零能模的重要成果。我國(guó)科學(xué)家首次在鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵砷中成功調(diào)控大面積、高度有序的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列。這一成果對(duì)實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓?fù)淞孔佑?jì)算具有里程碑意義。

故事要從基本粒子開始。探尋構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，是上百年來物理學(xué)家孜孜不倦的追求。他們把構(gòu)成物質(zhì)最小、最基本的單位稱為“基本粒子”。按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律的不同，基本粒子可分為玻色子和費(fèi)米子兩大類。比如，光子屬于玻色子，電子屬于費(fèi)米子。對(duì)費(fèi)米子而言，大多數(shù)費(fèi)米子的反粒子與它本身不同。

然而，1937年，意大利理論物理學(xué)家馬約拉納預(yù)言，自然界可能存在一種與其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是馬約拉納費(fèi)米子。但此后的80多年里，粒子物理學(xué)家始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據(jù)。

幸運(yùn)的是，在物理學(xué)的另一大分支——凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，理論研究表明，在固體材料中可能會(huì)出現(xiàn)與馬約拉納費(fèi)米子類似的基本粒子，這種基本粒子被稱為馬約拉納準(zhǔn)粒子或馬約拉納零能模。

用磁場(chǎng)調(diào)控大面積有序的馬約拉納零能模陣列(圖片由中科院物理所提供)

這種準(zhǔn)粒子對(duì)局部變化不敏感，有望作為穩(wěn)定的拓?fù)淞孔颖忍貞?yīng)用在自容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)上。量子計(jì)算的主要挑戰(zhàn)在于量子態(tài)很容易受環(huán)境的干擾，產(chǎn)生退相干現(xiàn)象，使得計(jì)算過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生錯(cuò)誤。而由馬約拉納零能模組成的非局域拓?fù)淞孔颖忍乜梢詮脑砩辖鉀Q傳統(tǒng)量子計(jì)算無法避免的量子退相干問題，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。

2018年，中科院物理所高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)與其他研究團(tuán)隊(duì)合作，利用其自主設(shè)計(jì)組裝的極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡，首次在鐵基超導(dǎo)材料鐵碲硒中觀測(cè)到純凈的馬約拉納零能模。隨后，他們又在其他鐵基超導(dǎo)材料中觀測(cè)到馬約拉納零能模。

然而，這些鐵基超導(dǎo)材料存在著組分不均一、馬約拉納零能模占比低等問題，阻礙了對(duì)馬約拉納零能模的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

“如何突破當(dāng)前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，向拓?fù)淞孔佑?jì)算更進(jìn)一步，是當(dāng)前鐵基超導(dǎo)馬約拉納領(lǐng)域亟待解決的問題之一。”高鴻鈞表示。

近幾年，高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵基超導(dǎo)體鋰鐵砷進(jìn)行了細(xì)致而深入的研究。功夫不負(fù)有心人!利用多年積累的強(qiáng)大的掃描隧道顯微鏡研究平臺(tái)和豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，研究人員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力可以誘導(dǎo)出大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，并觀測(cè)到了調(diào)控引起的馬約拉納零能模相互作用。

對(duì)此，高鴻鈞表示，這項(xiàng)研究為下一步實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓?fù)淞孔佑?jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 基本粒子 超導(dǎo)材料 物理學(xué)家 掃描隧道顯微鏡 研究人員