馬約拉納任意子首次在超導(dǎo)塊體材料中被發(fā)現(xiàn)

對(duì)構(gòu)建穩(wěn)定、可拓展的未來(lái)量子計(jì)算機(jī)有重要意義

本報(bào)北京8月19日電　(記者吳月輝)中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次在超導(dǎo)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(duì)更高的溫度下得以實(shí)現(xiàn)，且材料體系簡(jiǎn)單，對(duì)構(gòu)建穩(wěn)定的、高容錯(cuò)、可拓展的未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用具有極其重要意義。該研究成果于北京時(shí)間17日由國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表。

宇宙是由物質(zhì)組成的，我們身邊的太陽(yáng)、高山、河流等物質(zhì)都由名叫費(fèi)米子的基本粒子組成。每個(gè)費(fèi)米子都有一個(gè)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(xué)家馬約拉納預(yù)言了自旋為1/2的中性費(fèi)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(chēng)為馬約拉納費(fèi)米子，并猜測(cè)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(fèi)米子，但目前尚未得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。

近年來(lái)，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(zhǔn)粒子，被稱(chēng)為“固體宇宙”中的馬約拉納費(fèi)米子。更神奇的是，當(dāng)一個(gè)馬約拉納費(fèi)米子被束縛在一“點(diǎn)”上時(shí)，會(huì)變成兩個(gè)馬約拉納任意子。所謂“固體宇宙”，就是在我們周?chē)嬖诤芏喙腆w材料，比如金屬、非金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等，它們內(nèi)部會(huì)有大量的電子。在合適的磁場(chǎng)、壓力、溫度下，這些電子就會(huì)形成準(zhǔn)粒子，有些準(zhǔn)粒子和真實(shí)粒子遵循同樣的物理規(guī)律，只是行動(dòng)受限，只能待在固體材料里。

在凝聚態(tài)物質(zhì)中，人們?cè)诙喾N系統(tǒng)中嘗試發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子，但是具有非常大的難度和挑戰(zhàn)性，這也是國(guó)際科技界激烈競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一。此次，由中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)高鴻鈞和丁洪領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用極低溫—強(qiáng)磁場(chǎng)—掃描探針顯微系統(tǒng)，首次在超導(dǎo)塊體材料中觀測(cè)到馬約拉納任意子。

“我們觀測(cè)到的馬約拉納任意子不與其他的準(zhǔn)粒子態(tài)混合，成分純度很高。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該馬約拉納任意子在6T以下磁場(chǎng)以及4K以下溫度都能穩(wěn)定存在。”丁洪說(shuō)，這是第一次在單一塊體超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)高純度的馬約拉納任意子，能在相對(duì)高的溫度下實(shí)現(xiàn)，不容易受到其他準(zhǔn)粒子的干擾。同時(shí)，這也預(yù)示著在其他的多能帶高溫超導(dǎo)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(kāi)辟新的方向。