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。在固体材料中的马约拉纳准粒子服从非阿贝尔统计规律，其编织操作可用于拓扑量子计算。最近，中科院物理所高鸿钧研究员带领的联合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。马约拉纳零能模的阵列和相互作用可以被外磁场很好的调控。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。该研究成果的相关论文6月8日发表于《自然》杂志。

　　“道生一，一生二，二生三，三生万物”，这是古人对世界的认知和理解，表达了万物由简而繁的构造过程。对物理学家而言，世间万事万物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分为很多的水滴；一个水滴，可以拆分为很多的水分子；一个水分子，可以拆分为两个氢原子和一个氧原子；一个原子，可以进一步拆分为电子、夸克等等微观粒子。拆分到最后，物理学家们发现所谓的“万物”，其实都是由60多种基本粒子构成的。对这60多种基本粒子及其性质的探索发现，便是物理学家所追求的“道”。

　　这些基本粒子按照统计规律的不同可以划分为玻色子和费米子两大类，例如人们所熟知的光子属于玻色子，电子属于费米子，它们都是基本粒子。对于费米子而言，大多数的费米子的反粒子与它本身不同，例如电子的反粒子是正电子，带有一个单位的正电荷。这类费米子被称为“狄拉克费米子”，以著名物理学家保罗？狄拉克命名。

　　还有另一种神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身。这种基本粒子叫做“马约拉纳费米子”。这种“马约拉纳费米子”是由意大利物理学家埃托雷？马约拉纳在1937年理论预言的。然而在其预言后的80多年时间里，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。如果高能物理领域不存在，其他地方会不会存在呢？

　　在物理学的另一大分支——凝聚态物理领域，理论学家预言，在固体材料中可能会出现类似马约拉纳费米子的准粒子，这种准粒子被称为马约拉纳准粒子，或“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。更为神奇的是，当一个马约拉纳准粒子被束缚在一个“点”上时，会变成马约拉纳零能模，具有奇特的非阿贝尔统计规律。根据这一特性，科学家们可以对其进行编织操作，用其构造拓扑量子比特，进而应用于自容错的量子计算机。

　　向着这一科学目标进军，各国科学家全力开跑。在早期马约拉纳准粒子载体材料中，比较有代表性的材料体系包括常规超导体近邻下的半导体纳米线、常规超导体表面的磁性原子链，以及超导体-拓扑绝缘体界面等等。但这样一些材料体系往往存在制备困难、对极低温的要求较苛刻等问题。

　　2018年，中科院物理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极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统精确测量了铁基超导体铁碲硒单晶样品的磁通涡旋，首次在铁基超导材料中观测到马约拉纳零能模。与之前的材料体系相比，铁基超导体具有材料简单和观测温度高等优势，并且可以观测到纯净的马约拉纳零能模。

　　随后，研究团队针对马约拉纳零能模只在部分磁通涡旋中存在这一问题，对铁基超导中的马约拉纳零能模进一步研究，发现铁碲硒单晶样品表面同时存在两种不同类型的磁通涡旋，马约拉纳零能模只存在于其中一类磁通涡旋中。根据马约拉纳零能模的存在与否，磁通涡旋束缚态的量子化能级序列存在半整数位的偏移。研究团队给出了铁碲硒样品表面马约拉纳零能模存在的微观物理机制，澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质。

　　2020年，他们进一步通过连续可控的改变针尖与铁碲硒单晶样品之间的隧穿耦合强度，观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征，给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据。与此同时，他们还在铁磷基超导体如钙钾铁砷单晶表面的磁通涡旋中以及铁碲硒单晶表面的单个铁原子上观测到了马约拉纳零能模，极大地扩展了马约拉纳零能模载体平台。

　　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。如何突破当前研究瓶颈，获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列，向拓扑量子计算更进一步，是当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。

　　最近，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。他们利用多年积累的强大的扫描隧道显微镜研究平台和丰富的研究经验在实验上发现，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。“这项研究的重要意义在于首次实现了大面积、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，这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。”中国科学院院士、论文通讯作者高鸿钧表示。(经济日报记者 沈慧）

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