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上海交大宣布其科研团队“捕获”马约拉纳费米子

时间:2016-06-25  来源:中国青年报

  4位中科院院士“站台”,校长亲自出席发布会。6月22日下午,上海交通大学宣布,该校贾金锋教授科研团队在实验室里成功捕捉到了一种物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。这种粒子既是困扰物理学界80多年的正反粒子同体的特殊费米子,也是未来制造量子计算机的可能候选对象。

  美国东部时间6月21日(美高梅网上娱乐时间6月22日),www.mgm678.com顶级物理学刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合编辑的论文。通过巧妙的实验设计,贾金锋研究团队率先观测到了在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹。

  困扰物理学界80年的神秘粒子

  在物理学领域,科学家把构成物质的最小、最基本的单位称为基本粒子。在粒子世界里,住着两大家族:费米子家族(如电子、质子)和玻色子家族(如光子、介子),它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为,每一种粒子都有它的反粒子,费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样,但脾气完全相反的双胞胎兄弟,两兄弟一见面就“大打出手”,产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。

  然而在1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种费米子的反粒子不但和自己长相一样,脾气也完全相同。可以说,它们的反粒子就是自己本身,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是一种可能的马约拉纳费米子。但是,要证明这一点却非常困难——必须观察到一种所谓的无中微子双贝塔衰变现象。过去近80年中,物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。

  2016年初,中国的科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。上海交通大学贾金锋教授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教授等合作的研究团队,率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据。

  “事实上,大家所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。”贾金锋表示。

  “准粒子是凝聚态物理中一个重要概念,它是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法,也就是说把传统意义上的某种粒子的集体行为的某些表现,看作是一个粒子的行为(即准粒子)。这样可以大大简化模型,便于正确表述某些具体物理现象的物理机理。”贾金锋先容,粒子和准粒子的关系就像球员和球队的关系——一支足球队中每个球员可以看作是传统意义上的粒子,球员之间相互配合可以看作是粒子之间的非常复杂的相互作用,虽然每个球员都有自己的特色,但整体上球队却会表现出来一个统一的风格。“大家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,但是他们整支球队却像一个准粒子一样可以比较简单地被认识”。

  “原子指南针”探测到马约拉纳费米子存在的关键证据

  贾金锋团队是怎样使马约拉纳费米子“露面”的呢?

  “理论预言,在拓扑绝缘体上面放置超导材料就能实现拓扑超导。这件事情听起来容易,但却在材料科学领域是一大难题。而且,由于在上方的超导材料的覆盖,马约拉纳费米子很难被探测到。”贾金锋说,在大量实验基础上,他们没有按照大多数人通常的思路往下走,而是反其道而行之。最终,把超导材料放在了下面,使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜,让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体,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,为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。

  2014年年底,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来探测马约拉纳费米子。“在磁性材料表面的不同位置处也有‘南’与‘北’,这就是材料的磁学性质。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’,能够准确地探测一个原子的磁性特征,帮助大家找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的马约拉纳费米子。”贾金锋说。

  然而,马约拉纳费米子的磁性非常弱,要探测到它需要有更加灵敏、更低温度的扫描隧道显微镜。在微结构科学与技术2011协同创新中心内,团队发现南京大学刚刚建设一台40mK的扫描隧道显微镜系统,可以为该实验提供了一个充分的实验条件。

  2015年年底,贾金锋团队及其合编辑终于直接观察到了马约拉纳费米子存在的有力证据。“在实验中,大家观察到了由马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流,这是马约拉纳费米子存在的确定性证据”。

  2016年年初,研究团队发现理论计算的结果完全支撑实验观测到的结果。通过反复对比实验,发现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。贾金锋表示,这是他们的实验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。

  《物理评论快报》的审稿人评价称,编辑报告了在人造拓扑超导体中用自旋极化扫描隧道显微镜对马约拉纳费米子进行的探测。他们的实验结果证明了文献中理论预言的由马约拉纳费米子引起的自旋选择性的隧穿。“总之,实验结果是清楚和可信的,提供了一个直接观测神秘的马约拉纳费米子的实验方法”。

  或在拓扑量子计算领域大展身手

  找到马约拉纳费米子意味着什么?贾金锋说,这意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破,同时也意味着在固体中实现拓扑量子计算成为可能。这个发现或将引发新一轮电子技术的革命,使人类进入拓扑量子计算的时代。

  与普通计算机通过二进制方式处理数据不同,量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它对数据的处理速度惊人,使用普通计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题,在量子计算机看来是小菜一碟。

  以天气预报为例,由于现有技术的局限,现在人们对天气的预测不可能达到每次都非常准确。如果使用量子计算机来计算天气数据,不仅能瞬间运算海量数据,预测的准确性也会大大提高。当然,精确地预测天气对于量子计算机来说还不算什么,它能对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地计算,为材料科学领域带来革命性的进步。而科学家们预期,马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。

  迄今没有制造出真正意义上的量子计算机很重要的一个原因是,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以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的状态非常稳定。这些属性或许使量子计算机的制造变成现实的一个关键,从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。 


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