馬約拉納費米子首次在黃金上「現形」

2020-12-04 環球網

【來源:科技日報】

科技日報北京4月15日電 (記者劉霞)據美國麻省理工學院(MIT)網站近日報導,美中科學家攜手在《美國國家科學院院刊》上撰文指出,他們首次在金屬金表面觀測到馬約拉納費米子出現的證據,這是科學家首次在一個可擴展平臺上觀測到這一粒子,他們計劃接下來將這一粒子變成穩定且高容錯的量子比特,以促進量子計算機的研發。

費米子包括電子、質子、中子和夸克,是構成物質的基本粒子。1928年,英國理論物理學家保羅·狄拉克預測:宇宙中每個基本粒子都存在相對應的反粒子。1937年,義大利理論物理學家埃託雷·馬約拉納提出:自然界應存在正反粒子相同的費米子,這就是馬約拉納費米子。

科學家一直在尋找馬約拉納費米子。有理論學家預測,在特定情況下,馬約拉納費米子也可能存在於固體內。2018年,中國科學家高鴻鈞和丁洪領導的聯合研究團隊宣布,首次在超導塊體中觀察到了馬約拉納費米子。

在最新研究中,MIT和香港科技大學研究人員在他們設計和製造的材料系統中觀察到了馬約拉納費米子存在的證據。該系統由超導材料釩上生長的金納米線組成,其上布滿擁有鐵磁性的硫化銪小「島」。當研究人員掃描這些「島」附近表面時,看到金最頂層表面出現接近零能量的特徵峰值信號。理論指出,該種峰值只能由馬約拉納費米子對產生。

研究人員表示,看到一對馬約拉納費米子是朝著製造出量子比特邁出的重要一步。他們計劃接下來將這些粒子變成量子比特。如果能實現,將是構建出實用量子計算機的關鍵一步。

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    至此,馬約拉納費米子的神秘面紗終於被揭開,賈金鋒表示,這是他們的實驗首次觀測到馬約拉納費米子的自旋相關性質, 同時也提供了一種用相互作用調控馬約拉納費米子存在的有效方法,還為觀察神秘的馬約拉納費米子提供了一個直接測量的辦法。 或在拓撲量子計算領域大展身手 找到馬約拉納費米子意味著什麼?
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    馬約拉納費米子是神秘的粒子,它們充當其自身的反粒子,並首次假設存在於1937年。它們對物理學家具有極大的興趣,因為它們的獨特性質可以使它們被用於拓撲量子計算機的構造中。該研究論文發表在最近的《科學》雜誌上。通過這樣的努力,粒子物理學家正在使用地下觀測站,試圖證明被稱為中微子的像鬼一樣的粒子(一種很少與物質相互作用的亞原子粒子)是否可能是馬裡亞納費米子。在完全不同的方面,凝聚態物理學家正在尋求在結合了奇異量子材料和超導體的固態器件中發現馬約拉納物理學的表現形式。
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    但是在過去的近80年中,尚未有科學家能夠證明這一預言的正確性,馬約拉納費米子也一直僅僅作為一種理論構想存在於科學家的想像裡。世界上也曾有研究團隊聲稱觀察到了馬約拉納費米子的跡象,但都受到很多專家質疑。賈金鋒團隊究竟是利用怎樣巧妙的實驗設計俘獲了世界權威專家呢?賈金鋒教授表示,「理論預言,在拓撲絕緣體上面放置超導材料就能實現拓撲超導,這件事情聽起來容易,但在材料科學領域卻是一大難題。而且,由於在上方的超導材料的覆蓋,馬約拉納費米子很難被探測到。」
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    之後人們把這種神奇的粒子稱為馬約拉納費米子,並猜測構成物質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。馬約拉納費米子不帶電荷,理論上認為馬約拉納費米子是由粒子及其反粒子構成。近年來,理論研究表明在凝聚態物質中也可能存在遵守馬約拉納性質的準粒子,被稱為「固體宇宙」中的馬約拉納費米子。
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