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科學家實現大面積、高度有序和可調控的“馬約拉納零能模‘格點陣列’”

點擊：3306  作者：記者    來源：中科院之聲微信號  發布時間:2022-06-09 09:44:24

 

馬約拉納費米子是一種神奇的基本粒子，它的反粒子是它自身。在固體材料中的馬約拉納準粒子服從非阿貝爾統計規律，其編織操作可用于拓撲量子計算。中科院物理所高鴻鈞研究員帶領的聯合團隊在鐵基超導材料鋰鐵砷中觀測到大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列。馬約拉納零能模的陣列和相互作用可以被外磁場很好的調控。他們的發現對于實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算具有里程碑的意義。

 

2022年6月8日，中科院物理所的高鴻鈞研究組與靳常青研究組、美國波士頓學院的汪自強合作，在《自然》雜志上發表了題為Ordered and tunable Majorana-zero-mode lattice in naturally-strained LiFeAs的文章。該工作實現了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列，向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步。在該研究中，李萌、李更和曹路為論文共同第一作者，汪自強和高鴻鈞為共同通訊作者。

 

“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，這是古人對世界的認知和理解，表達了萬物由簡而繁的構造過程。對物理學家而言，世間萬事萬物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分為很多的水滴；一個水滴，可以拆分為很多的水分子；一個水分子，可以拆分為兩個氫原子和一個氧原子；一個原子，可以進一步拆分為電子、夸克等等微觀粒子。拆分到最后，物理學家們發現所謂的“萬物”，其實都是由60多種基本粒子構成的。對這60多種基本粒子及其性質的探索發現，便是物理學家所追求的“道”。

 

這些基本粒子按照統計規律的不同可以劃分為玻色子和費米子兩大類，例如人們所熟知的光子屬于玻色子，電子屬于費米子，它們都是基本粒子。對于費米子而言，大多數的費米子的反粒子與它本身不同，例如電子的反粒子是正電子，帶有一個單位的正電荷。這類費米子被稱為“狄拉克費米子”，以著名物理學家保羅•狄拉克命名。

 

還有另一種神奇的基本粒子，它的反粒子是它本身。這種基本粒子叫做“馬約拉納費米子”。這種“馬約拉納費米子”是由意大利物理學家埃托雷•馬約拉納在1937年理論預言的。然而在其預言后的80多年時間里，粒子物理學家們始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據。

 

在物理學的另一大分支—凝聚態物理領域，理論學家預言，在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的粒子，這種粒子被稱為“馬約拉納準粒子”，或是“馬約拉納零能模”。馬約拉納零能模的統計規律既不像玻色子，也不像費米子，而是表現為一種獨特的非阿貝爾統計規律。這種準粒子的編織操作被認為是實現容錯拓撲量子計算的重要途徑。量子計算機遵循量子力學規律，因其處理復雜問題時相比傳統計算機有著巨大的優越性而被公眾所熟知。歐美等國的政府和科技巨頭企業也投入了巨大的人力物力和財力發展量子計算。量子計算的主要挑戰在于量子態很容易受環境的干擾，產生退相干現象，使得計算過程中會不斷地產生錯誤。而由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特可以從原理上解決傳統量子計算無法避免的量子退相干問題，引起了研究人員的廣泛關注。

 

 

馬約拉納零能模編織示意圖

 

在早期馬約拉納準粒子載體材料中，比較有代表性的材料體系包括常規超導體近鄰下的半導體納米線、常規超導體表面的磁性原子鏈，以及超導體-拓撲絕緣體界面等等。這樣一些材料體系往往存在制備困難、對極低溫的要求較高等問題。

 

2018年，中國科學院物理研究所高鴻鈞研究團隊與丁洪研究團隊合作，利用其自主設計組裝的國際頂尖水平的極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯合系統精確測量了鐵基超導體FeTe_0.55Se_0.45單晶樣品的超導渦旋，首次在鐵基超導中觀測到馬約拉納零能模。與之前的材料體系相比，鐵基超導體具有材料簡單和觀測溫度高等優勢，并且可以觀測到純凈的馬約拉納零能模。

 

隨后，他們針對馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問題，對鐵基超導中的馬約拉納零能模進一步研究，發現FeTe_0.55Se_0.45單晶樣品表面同時存在兩種不同類型的磁通渦旋，馬約拉納零能模只存在于其中一類磁通渦旋中。根據馬約拉納零能模的存在與否，磁通渦旋束縛態的量子化能級序列存在半整數位的偏移。他們給出了FeTe_0.55Se_0.45樣品表面馬約拉納零能模存在的微觀物理機制，澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質。

 

 

磁場調控馬約拉納零能模耦合

 

2020年，他們進一步通過連續可控的改變針尖與FeTe_0.55Se_0.45單晶樣品之間的隧穿耦合強度，觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特征，給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據。與此同時，他們還在鐵磷基超導體如CaKFe₄As₄單晶表面的磁通渦旋中以及FeTe_0.55Se_0.45單晶表面的單個鐵原子上觀測到了馬約拉納零能模，極大地擴展了馬約拉納零能模載體平臺。

 

然而，這些鐵基超導材料體系還是存在著材料組分不均一、磁通渦旋陣列無序且不可控以及馬約拉納零能模占比低等問題，阻礙了其進一步的研究和應用。如何突破當前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列，向拓撲量子計算更進一步，是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。

 

最近，高鴻鈞研究團隊對鐵基超導體LiFeAs進行了細致而深入的研究。他們利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平臺和豐富的研究經驗在實驗上發現，應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列。其主要發現有以下幾點。1）晶體中的自然應力可誘導產生雙軸電荷密度波條紋，沿著Fe-Fe和As-As晶格方向，其波長分別為λ₁~2.7 nm和λ₂~24.3 nm（圖一）。2）波長為λ₂的電荷密度波對超導能隙具有明顯的調制作用,當施加垂直于樣品表面的磁場后，形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導序較弱的As-As方向電荷密度波條紋上，形成有序的渦旋陣列（圖二）。3）雙軸電荷密度波的存在使得晶體對稱性降低，從而改變了費米能級附近的拓撲能帶結構，使得超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模，形成高度有序的馬約拉納零能模陣列（圖三，圖四）。4）這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場調控，隨著磁場增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯（圖四）。

 

 

雙軸電荷密度波隨能量演化

 

鐵-鐵方向電荷密度波隨能量演化

 

這項研究的重要意義在于首次實現了大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列，并觀測到了調控引起的馬約拉納零能模相互作用，為下一步實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎。

 

 

圖一：LiFeAs雙軸電荷密度波區域的表征

 

 

圖二：磁通渦旋中的馬約拉納零能模

 

 

圖三：馬約拉納零能模產生機理

 

 

圖四：用磁場調控大面積有序的馬約拉納零能模陣列

 

更多閱讀：

 

通俗版

“馬約拉納零能模”科普

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“模”出境界丨首次在鐵基超導體中發現馬約拉納任意子專題

 

1937年，物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）把描寫費米子的基本運動方程（狄拉克方程）分解成電荷共軛不變的兩部分（即馬約拉納方程），得到了“自己是自己的反粒子”的馬約拉納費米子。81年來，馬約拉納費米子的相關研究一直是物理學最前沿的問題之一。

 

近年來，理論研究表明在凝聚態物質中也可能存在遵守馬約拉納性質的準粒子，被稱為“固體宇宙”中的馬約拉納費米子。更神奇的是，當一個馬約拉納費米子被束縛在一“點”上時，變成兩個馬約拉納任意子，具有奇特的非阿貝爾統計，可以用來構造拓撲量子比特，應用于自容錯的量子計算機。

 

近期，中國科學院物理研究所/中國科學院大學高鴻鈞和丁洪領導的聯合研究團隊利用極低溫-強磁場-掃描探針顯微系統首次在鐵基超導體中觀察到了馬約拉納零能模，即為馬約拉納任意子。該馬約拉納零能模純凈度高，能在相對更高的溫度下得以實現，且材料體系簡單。該成果對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要意義。該項研究于2018年8月16日在線發表在《科學》（Science）雜志上。

 

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來源：中國科學院物理研究所