馬約拉納任意子首次在超導塊體材料中被發(fā)現(xiàn)
對構(gòu)建穩(wěn)定、可拓展的未來量子計算機有重要意義
本報北京8月19日電 (記者吳月輝)中國科學家主導的聯(lián)合研究團隊首次在超導塊體材料中觀察到了馬約拉納零能模，即為馬約拉納任意子。該馬約拉納零能模純凈度高，能在相對更高的溫度下得以實現(xiàn)，且材料體系簡單，對構(gòu)建穩(wěn)定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要意義。該研究成果于北京時間17日由國際著名學術(shù)期刊《科學》在線發(fā)表。
宇宙是由物質(zhì)組成的，我們身邊的太陽、高山、河流等物質(zhì)都由名叫費米子的基本粒子組成。每個費米子都有一個與其自身電荷相反、其他屬性相同的反粒子。1937年，意大利理論物理學家馬約拉納預言了自旋為1/2的中性費米子，它不帶電荷，其反粒子是它本身。人們把這種神奇的粒子稱為馬約拉納費米子，并猜測構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子中的中微子有可能是馬約拉納費米子，但目前尚未得到實驗上的證實。
近年來，理論研究表明在凝聚態(tài)物質(zhì)中也可能存在遵守馬約拉納性質(zhì)的準粒子，被稱為“固體宇宙”中的馬約拉納費米子。更神奇的是，當一個馬約拉納費米子被束縛在一“點”上時，會變成兩個馬約拉納任意子。所謂“固體宇宙”，就是在我們周圍存在很多固體材料，比如金屬、非金屬、半導體、超導體等，它們內(nèi)部會有大量的電子。在合適的磁場、壓力、溫度下，這些電子就會形成準粒子，有些準粒子和真實粒子遵循同樣的物理規(guī)律，只是行動受限，只能待在固體材料里。
在凝聚態(tài)物質(zhì)中，人們在多種系統(tǒng)中嘗試發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子，但是具有非常大的難度和挑戰(zhàn)性，這也是國際科技界激烈競爭的戰(zhàn)略制高點之一。此次，由中國科學院物理研究所、中國科學院大學高鴻鈞和丁洪領導的聯(lián)合研究團隊，利用極低溫—強磁場—掃描探針顯微系統(tǒng)，首次在超導塊體材料中觀測到馬約拉納任意子。
“我們觀測到的馬約拉納任意子不與其他的準粒子態(tài)混合，成分純度很高。進一步實驗發(fā)現(xiàn)該馬約拉納任意子在6T以下磁場以及4K以下溫度都能穩(wěn)定存在。”丁洪說，這是第一次在單一塊體超導材料中發(fā)現(xiàn)高純度的馬約拉納任意子，能在相對高的溫度下實現(xiàn)，不容易受到其他準粒子的干擾。同時，這也預示著在其他的多能帶高溫超導體里也可能存在馬約拉納任意子，為馬約拉納物理的研究開辟新的方向。
