【中央人民广播电台·中国之声】向拓扑量子计算迈出重要一步 我国科学家发现神奇粒子重要的一面
2022-06-10
文章来源: 中央人民广播电台·中国之声

  北京时间6月8日晚,国际学术期刊《自然》杂志发表中国科学院物理所研究员高鸿钧带领团队的一项重大发现。该团队在铁基超导材料锂铁砷中观测到大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。这一发现对于实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算具有里程碑的意义。

中国科学家在2018年首次发现“马约拉纳准粒子”

  马约拉纳费米子是一种神奇的基本粒子,它的反粒子是它自身。但到目前为止,粒子物理学家们始终未能在广袤宇宙中找到该粒子存在的确切证据。理论学家预言,在固体材料中可能会出现与马约拉纳费米子类似的粒子,这种粒子被称为“马约拉纳准粒子”,或是“马约拉纳零能模”。

  2018年,中国科学院物理研究所高鸿钧研究团队与丁洪研究团队合作,利用其自主设计组装的国际顶尖水平的仪器精确测量了铁基超导体铁碲硒单晶样品的超导涡旋,首次在铁基超导体中观测到马约拉纳零能模。高鸿钧说,“2018年我们就发现了在铁碲硒超导体上面,是有马约拉纳零能模存在的证据。但是还不够,在这个领域需要进一步敲定马约拉纳零能模是一个马约拉纳准粒子,所以我们还在铁碲硒里面观察到了它的量子化电导平台,进一步证明了马约拉纳零能模的存在。”


马约拉纳零能模产生机理(中科院物理所供图)

又发现了大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列

  然而,这些铁基超导材料体系还是存在着材料组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低等问题,阻碍了其进一步的研究和应用。近日,高鸿钧研究团队对铁基超导体锂铁砷进行了细致而深入的研究,结果在实验上发现,应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。

  论文共同第一作者、中科院物理研究所副研究员李更介绍,团队在铁基超导体锂铁砷看到,在不同的磁场下都可以形成微米尺度的、有序的马约拉纳零能模阵列。而且更重要的是,团队通过增加磁场可以减小马约拉纳零能模之间的距离。随着马约拉纳零能模之间的靠近,它的零能峰从一个瘦高的零能峰变成一个矮胖的零能峰。这个变化的原因就是因为当马约拉纳零能模靠近的时候,它们会发生一个劈裂,在零能峰的两边,所以看起来就会变成一个比较胖的峰。这表明该团队第一次实现了马约拉纳零能模的人工调控,也是第一次观测到它们相互耦合的证据。


团队合影  前排右一为高鸿钧(中科院物理所供图)

  这一发现向拓扑量子计算更进一步

  高鸿钧表示,这一发现首次实现了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列,并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用,为下一步实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。

  他说,“两个零能模之间开始相互作用了,这就为未来的所谓的纠缠或者编织提供了条件,就有可能去做未来的量子计算。随着磁场的升高,马约拉纳零能模互相靠近,零能峰的窄宽逐步变宽,表明高场下近邻的马约拉纳零能模之间出现了相互耦合、相互作用,为未来的量子计算奠定了很好的基础。”


马约拉纳零能模编织示意图(中科院物理所供图)

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