寻找马约拉纳费米子的竞赛

新技术 2018年07月27日

2018年7月12日日本“PC Watch”网站上登载了一则新闻:发现了80多年未能证明其存在的梦幻粒子!(日文标题:予言から80年以上実在が証明できなかった“幻の粒子”「マヨラナ粒子」が発見)京都大学与東京大学、東京工業大学的研究团队发现了一种叫做“马约拉纳”的梦幻粒子,这种粒子在并非超低温的高温状态也可以活动,有助于实现“拓扑量子计算机”。日本科学家团队的这项发现刊载于2018年7月12日的英国《自然》科学杂志上。

寻找马约拉纳费米子的竞赛

图 东京工业大学等发现的“马约拉纳费米子”现象

这则新闻霎那让笔者的脑细胞兴奋起来:这莫不会又是一个诺贝尔奖级别的发现呢!

“马约拉纳费米子”对一般人来说是一个陌生的名字。但是,相信很多人都听说过粒子与反粒子的概念,或者说物质与反物质的概念。电影《天使与魔鬼》中描述仅含有0.25克反物质的炸弹就足以将梵蒂冈从地球上抹去。电影《星际迷航》中的“企业号”飞船则使用由物质与反物质湮灭产生的强大推力来获得超光速飞行速度。反粒子、反物质是多么令人痴迷阿。

反粒子的存在是由英国理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)在1928年预言的。预言说,宇宙中每个基本的粒子必然有相对应的反粒子。当粒子和反粒子相撞时,会释放出巨大能量,从而相互湮灭。1932年加州理工大学的安德森(Carl David Anderson)发现了第一个反粒子,即电子的反粒子---正电子。1955年在美国伯克利高能质子稳相加速器上,研究人员制造出了第一个反质子,即电荷为负的质子。

而“马约拉纳费米子”,简单地说就是自己是自己的反粒子。或者说,这是一种其反粒子为其自身的费米子。这种很奇特的费米子,是由意大利著名物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在1937年提出的。他预言在名为费米子(包括质子、中子、电子、中微子和夸克)的粒子类别中,应该存在一类自身没有反粒子的粒子。

因为电子与质子都找到了对应的反粒子,所以,马约拉纳的预测仅适用于不含电荷的费米子,如中子和中微子。科学家已经发现了中子的反粒子,剩下来就只有中微子了。由于,“马约拉纳费米子”有服从一种叫做“非阿贝尔量子统计”规律的特性。这个特性耐环境干扰,便于保持量子信息的稳定性,揭示了用来实现“拓扑量子计算机”的可能性。而现在的量子计算机是通过由捕捉0与1的量子力学叠加状态的量子比特所构成的门电路进行并列计算而实现的。这种“量子比特”极其不稳定,经不起温度与磁场这样的环境干扰。因此,科学界展开了寻找“马约拉纳费米子”的竞争。尤其是在凝聚态物理学界,寻找“马约拉纳费米子”是一个经久不衰的课题。

然而,虽然发达国家投入了大量的资金,但是,要找到自然界中存在的“马约拉纳费米子”,却是极其艰巨和遥遥无期的任务。所以,科学家们转而寻求满足马约拉纳费米子性质的“准粒子”,即通过超导材料中电子的集体行为产生的粒子式激发,人为地制造出马约拉纳费米子的激发态,但并不是这种粒子本身(当然,也有人说三维的准粒子和三维的基本粒子是没有区别的)。

事实上,并非日本科学家首次“发现了”马约拉纳费米子。

一年前(2017年7月21日)就有报道说,美国斯坦福大学华裔科学家张首晟及其团队在美国《科学》杂志上发表了一项重大发现,即发现了“马约拉纳费米子”的存在。该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)何庆林、王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个研究团队共同完成,论文通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆。

那么,华裔科学家团队与日本科学家团队的“发现”有什么异同呢?

按笔者的理解,相同之处,都是利用拓扑绝缘体和超导体耦合来研究马约拉纳费米子。即通过在量子反常霍尔绝缘体薄膜和常规超导体薄膜组成的混合器件中测量量子反常霍尔效应(Quantum Anomalous Hall Effect),看其是否出现一个半整数现象,而且左右不对称。这是因为马约拉纳费米子没有反粒子(即其反粒子为其自身),在某种意义上说它是常规粒子的一半,因此,半整数量子化平台就提供了马约拉纳费米子存在的明确证据。

不同的是所用材料与方法的相异。

华裔科学家团队是在GaAs衬底上制备了量子反常霍尔绝缘体薄膜CrBiSbTe的样品,并由Nb超导体覆盖。通过调节外磁场的强度,在通常的整数量子平台之外,探测到半整数量子平台。随后的强磁场实验与三端电阻测量进而有力的排除了其他可能的实验干扰与假象。跟以前观察到的准粒子只是停在一维纳米线的一个地方不同,华裔科学家团队发现的马约拉纳费米子是在二维材料的边缘沿着一个方向移动,好像赛车场上的跑车似的。

日本科学家则是利用A.Kitaev模型(由美国加州工科大学的俄裔教授Kitaev在2006年发明),对磁性绝缘体氯化钌(α-RuCl3)的量子自旋状态,在一定温度下通过改变磁场强度,用非常高的精度测定热霍尔效应。因为是在不导电的绝缘体上量化热霍尔效应,所以,证明了这个效应是来自不带电的粒子。同时,热霍尔传导是量子化值的一半,说明传热的粒子只有电子的自由度的一半。也就证明了这个粒子就是马约拉纳费米子。

在此之前的超导研究,马约拉纳费米子现象的出现仅局限在0.01K(-273.14度)的超低温状态。日本科学家的研究是在5K(-268.15度)观测到马约拉纳费米子,证明了相对高温也可以出现马约拉纳费米子的量子缠绕。

这个实验的两个重要的因素: “拓扑绝缘体”与“超导体”,都是日本材料科学研究的强项。拓扑绝缘体是一种内部绝缘,而边缘产生自旋偏极金属状态的材料。东京大学、京都大学、大阪科学技术中心以及东工大、理化学研究所、东北大学等学术机构在这方面有着深厚的底蕴。

当然,证明完了马约拉纳费米子的存在,还要进一步研究如何操作这些奇特的准粒子们,才可以使迷幻的粒子造福人类。如果今后能有效控制出现在量子自旋液体里的马约拉纳费米子,那么离实现在相对高温下运转的拓扑量子计算机就近了一步。

供稿 戴维
编辑修改 客观日本编辑部

参考文献
Majorana quantization and half-integer thermal quantum Hall effect in a Kitaev spin liquid (Y. Kasahara, T. Ohnishi, Y. Mizukami, O. Tanaka, Sixiao Ma, K. Sugii, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, T. Shibauchi & Y. Matsuda)[网址]

Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure (Qing Lin He, Lei Pan, Alexander L. Stern, Edward C. Burks, Xiaoyu Che1, Gen Yin1, Jing Wang, Biao Lian, Quan Zhou6, Eun Sang Choi7, Koichi Murata1, Xufeng Kou1, Zhijie Chen, Tianxiao Nie, Qiming Shao, Yabin Fan1,Shou-Cheng Zhang, Kai Liu4, Jing Xia, Kang L. Wang)[网址]

Majorana fermion detected in a quantum layer cake[网址]

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