我國科學家成功調(diào)控馬約拉納零能模陣列

8日，《自然》發(fā)表了一項關于馬約拉納零能模的重要成果。我國科學家首次在鐵基超導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陣列。這一成果對實現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算具有里程碑意義。

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)計規(guī)律的不同，基本粒子可分為玻色子和費米子兩大類。比如，光子屬于玻色子，電子屬于費米子。對費米子而言，大多數(shù)費米子的反粒子與它本身不同。

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

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

用磁場調(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)

這種準粒子對局部變化不敏感，有望作為穩(wěn)定的拓撲量子比特應用在自容錯的量子計算機上。量子計算的主要挑戰(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，使得計算過程中會不斷地產(chǎn)生錯誤。而由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特可以從原理上解決傳統(tǒng)量子計算無法避免的量子退相干問題，引起了研究人員的廣泛關注。

2018年，中科院物理所高鴻鈞研究團隊與其他研究團隊合作，利用其自主設計組裝的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡，首次在鐵基超導材料鐵碲硒中觀測到純凈的馬約拉納零能模。隨后，他們又在其他鐵基超導材料中觀測到馬約拉納零能模。

然而，這些鐵基超導材料存在著組分不均一、馬約拉納零能模占比低等問題，阻礙了對馬約拉納零能模的進一步研究和應用。

“如何突破當前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，向拓撲量子計算更進一步，是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。”高鴻鈞表示。

近幾年，高鴻鈞研究團隊對鐵基超導體鋰鐵砷進行了細致而深入的研究。功夫不負有心人!利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平臺和豐富的研究經(jīng)驗，研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，應力可以誘導出大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，并觀測到了調(diào)控引起的馬約拉納零能模相互作用。

對此，高鴻鈞表示，這項研究為下一步實現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎。

關鍵詞： 基本粒子 超導材料 物理學家 掃描隧道顯微鏡 研究人員