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科学家发现神奇粒子罕见一面 迈出拓扑量子计算重要一步

发稿时间：2022-06-09 08:45:00 作者：邱晨辉 来源： 中国青年报客户端

　　中国青年报客户端北京6月9日电（中青报·中青网记者 邱晨辉）马约拉纳费米子被称作神奇粒子，其反粒子就是它自身。记者今天从中科院物理所了解到，该所高鸿钧院士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准粒子格点阵列，向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。

　　北京时间6月8日深夜，这一研究成果在《自然》杂志上发表。在该研究中，中科院物理所李萌、李更和曹路为论文共同第一作者，汪自强和高鸿钧为共同通讯作者。

　　“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”。

　　这其中，有一种神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身。这种基本粒子叫作“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。

　　凝聚态物理理论学家预言，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”。

　　李更介绍，马约拉纳准粒子的统计规律，既不像玻色子，也不像费米子，而是表现为一种独特的非阿贝尔统计规律。这种准粒子的编织操作，被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径。量子计算机遵循量子力学规律，因其处理复杂问题时，相比传统计算机有着巨大的优越性而被公众所熟知。欧美一些国家的政府和科技巨头企业也投入了巨大的人力物力和财力发展量子计算。

　　“量子计算的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰，产生退相干现象，使得计算过程中会不断地产生错误。”李更说，由马约拉纳准粒子组成的非局域拓扑量子比特，可以从原理上解决量子计算无法避免的量子退相干问题，引起了研究人员的广泛关注。

　　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样品的超导涡旋，首次在铁基超导材料中观测到马约拉纳准粒子。

　　“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准粒子。”高鸿钧说。

　　2020年，他们进一步通过连续可控的改变针尖与该样品之间的隧穿耦合强度，观测到了马约拉纳准粒子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准粒子的关键性实验证据。

　　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、不可控以及马约拉纳准粒子占比低等问题，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准粒子阵列，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。

　　如今，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准粒子阵列。

　　研究团队认为，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准粒子阵列，并观测到了调控引起的马约拉纳准粒子相互作用，为下一步实现马约拉纳准粒子的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。

 
责任编辑：张丽艳
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