━━━━ ━━━━  

拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)是個什么態(tài)？馬約拉納費米子是個什么子？這兩個高深的物理概念，大多數(shù)普通人作為物理“麻瓜”可能連完整讀出來都有難度。

最近，中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱中科院物理所）科研人員與合作者利用超高分辨率角光電子能譜儀，在一種鐵基超導(dǎo)體上發(fā)現(xiàn)了拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)。目前，基于前期在高溫超導(dǎo)材料中的理論和實驗積累，研究人員正在開展后續(xù)研究工作，目標(biāo)直指馬約拉納費米子。

基于量子力學(xué)理論預(yù)言

故事要從“基本粒子”開始。探尋世界構(gòu)成的基本單位，是上百年來物理學(xué)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”。量子力學(xué)領(lǐng)域按照其占據(jù)能量狀態(tài)的不同，把基本粒子分為玻色子和費米子兩大家族。玻色子負(fù)責(zé)傳遞相互作用力，費米子則負(fù)責(zé)構(gòu)成物質(zhì)。

“比如，光子、引力子是玻色子，而電子屬于費米子。”中科院物理所研究員丁洪告訴《中國科學(xué)報》記者。人們熟知的中子、質(zhì)子等也都是費米子。

圍繞費米子的特點，理論物理學(xué)家狄拉克、外爾和馬約拉納利用量子力學(xué)和相對論進(jìn)行了數(shù)學(xué)運算，預(yù)言了三種不同的費米子。這三種費米子都以它們的預(yù)言者冠名，分別是“狄拉克費米子”“外爾費米子”和“馬約拉納費米子”。

其中，1937年意大利物理學(xué)家馬約拉納猜測，自然界應(yīng)該存在正反粒子相同的費米子。不久后，這位科學(xué)家在一次旅行中失蹤。和馬約拉納的命運一樣，他在理論中預(yù)言的這種費米子讓物理學(xué)家著迷。目前，高能物理學(xué)家認(rèn)為中微子可能是馬約拉納費米子，但還缺乏確鑿的實驗證據(jù)。

固體“宇宙”提供新思路

一直以來，高能物理學(xué)家圍繞在真實宇宙中尋找基本粒子付出了大量努力。例如，2012年，歐洲核子研究中心（CERN）宣布在大型對撞實驗中發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，這項成果榮膺2013年諾貝爾物理學(xué)獎。

在費米子家族里，科學(xué)家們已經(jīng)在真實宇宙中證實了狄拉克費米子存在，而外爾費米子和馬約拉納費米子在真實宇宙中還沒有被發(fā)現(xiàn)。

近年來，凝聚態(tài)物理為尋找基本粒子開拓了新思路。在丁洪看來，在固體材料中的“宇宙”里，億萬個電子和原子核通過相互作用形成一種決定母體材料性質(zhì)的準(zhǔn)粒子，這些準(zhǔn)粒子與基本粒子可能遵循相同的物理規(guī)律。

2015年，來自美國和中國的兩個研究小組幾乎同時宣布在固體材料上發(fā)現(xiàn)了符合外爾方程預(yù)言的外爾費米子。其中，丁洪領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊利用了上海光源的“夢之線”，在砷化鉭晶體中證實了這種沒有質(zhì)量、具有相反手性的外爾費米子存在。他們在《物理評論X》（PRX）發(fā)表的文章今年初入選了美國物理學(xué)會為紀(jì)念《物理評論》創(chuàng)刊125周年制作的經(jīng)典論文集，該論文集收錄了49項具有里程碑意義的工作，其中36項工作獲得了諾貝爾獎。

同時，和真實宇宙不同的是，固體材料由一個個分立的單元組成的特性則導(dǎo)致固體“宇宙”不連續(xù)，不具有光速不變的性質(zhì)。“這使固體‘宇宙’中可能存在新型費米子。”丁洪表示。去年丁洪領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊在磷化鉬晶體中發(fā)現(xiàn)了超出狄拉克—外爾—馬約拉納傳統(tǒng)類型的費米子——三重簡并費米子。研究成果在《自然》上發(fā)表，并入選2017年中國十大科學(xué)進(jìn)展。

拓?fù)涑瑢?dǎo)帶來希望

當(dāng)前，在固體材料中尋找馬約拉納費米子已成為各國物理學(xué)家關(guān)注的焦點。2014年前后，丁洪帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊把視線轉(zhuǎn)向了鐵基超導(dǎo)體，他們當(dāng)時的實驗數(shù)據(jù)已隱隱約約地顯示出鐵基超導(dǎo)體可能具有拓?fù)浔砻鎽B(tài)。“拓?fù)浔緛硎茄芯繋缀螆D形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的一個學(xué)科。”丁洪介紹。早在二十多年前研究人員就意識到，拓?fù)涑瑢?dǎo)體極有可能是尋找馬約拉納費米子的突破口。

事實上，在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中，馬約拉納費米子還將具有一種特殊的零維狀態(tài)，被稱為“馬約拉納零能模”。這種零能模對局部變化不敏感，有望作為穩(wěn)定的量子比特應(yīng)用在量子計算機上。

不過，一直以來，拓?fù)涑瑢?dǎo)體往往要通過拓?fù)洳牧虾统瑢?dǎo)材料兩種疊加才能實現(xiàn)。在丁洪團(tuán)隊開展的這項新研究中，研究人員首次用單種鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45（鐵碲0.55硒0.45）制作并證實了穩(wěn)定存在的拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)。這項研究在今年3月8日的《科學(xué)》在線發(fā)表。

丁洪介紹，這篇論文最后預(yù)言，如果對這種材料施加外部磁場會得到馬約拉納零能模。“對馬約拉納費米子的研究不僅加深了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，也有巨大應(yīng)用潛力。”他說，“正如對半導(dǎo)體的研究制造出經(jīng)典計算機一樣，馬約拉納費米子將會推動量子計算機的發(fā)展。”

文章來源：中國科學(xué)報

IEEE Spectrum

《科技縱覽》

官方微信公眾平臺