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中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!

中科院物理所高鸿钧与丁洪课题组的合作成果,在铁系超导体中发现了马约拉纳边界态的重要证据,为实现量子计算机的制造奠定了有力基础。

传说,量子计算机计算能力可以秒杀当今二进制的计算机。

使用普通计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题,在量子计算机看来是小菜一碟。

但迄今没有制造出真正意义上的量子计算机。一个原因是用于量子计算的粒子的量子态并不稳定,电磁干扰或其他环境噪音干扰可以轻松打乱计算。

但是有一种材料被认为有望实现量子计算机的制造,帮助人们进入量子计算时代。
这种粒子就是马约拉纳费米子(Majorana fermion)。斯坦福大学的张首晟教授为手性马约拉纳费米子起了一个名字:“天使粒子”。

北京时间2018年8月17日凌晨,Science 预印版(first release)上线了来自中科院物理所高鸿钧与丁洪课题组的合作成果,在铁系超导体中发现了马约拉纳边界态的重要证据,为实现量子计算机的制造奠定了有力基础。

中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!

共同第一作者:Dongfei Wang, Lingyuan Kong, Peng Fan
第一单位:中国科学院物理研究所
通讯作者:丁洪、高鸿钧

背景介绍

什么是马约拉纳费米子?

马约拉纳费米子的历史可以追溯到 1928年,物理学家狄拉克通过狄拉克方程指出:宇宙中的每个基本粒子都有一个相对的反粒子,如反电子对应的“正电子”,其质量、自旋等与正常的负电子相同,但是所带电荷为正。1932年,美国加州理工学院的安德森等人宣告,他们发现了正电子。

1937 年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)对狄拉克方程进行了修正,认为:应当存在一种费米子,其反粒子为其本身。这种粒子就被称为“马约拉纳费米子”(Majorana fermions)。

正因为反粒子为其本身,因此科学家认为每个马约拉纳费米子本质上就是半个亚原子粒子,所以一个量子比特的信息可以用两个相距甚远的马约拉纳费米子存储,这样就不太可能有什么因素同时干扰它俩、让它们携带的信息丢失。换言之,马约拉纳费米子是理想的量子计算材料。

而另一方面,现有的量子物理认为宇宙中可能存在三种类型的费米子,即狄拉克(Dirac)费米子、外尔(Weyl)费米子和马约拉纳(Majorana)费米子
在费米子家族中,大家所熟知的电子、质子、中子等粒子都是狄拉克费米子,而在凝聚态材料中外尔费米子也在2015年被中国科学家和美国科学家同时独立地观测到,仅马约拉纳费米子还未正式被确切证实

激烈角逐

寻找马约拉纳(Majorana)费米子已经是基础物理学最热门的探索之一。
因此各路科学豪杰展开激烈的角逐。其中,华人科学家在这个发现马约拉纳费米子的科技竞赛中大展身手,发挥着重要作用。

2016年初,上海交通大学贾金锋教授研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组,南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮教授等合作的研究团队,率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据, 在人造拓扑超导体中用自旋极化扫描隧道显微镜对马约拉纳费米子进行的探测。结果证明了文献中理论预言的由马约拉纳费米子引起的自旋选择性的隧穿。

中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!

2017年7月,洛杉矶分校的王康隆教授,斯坦福大学的物理学家张首晟,UCLA的何庆林和上海科技大学寇煦丰等人在Science上发文,通过对拓扑超导体(由拓扑量子反常霍尔绝缘体(QAHI)薄膜和超导(SC)薄膜构成的混合一维器件,外加电磁场调控的实验,并由电导测量证明了磁场调控下的拓扑超导体QAHI/SC结中存在半量子化电导平台,被认为是一维手性马约拉纳费米子的关键证据。

中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!

但是以科学研究的高贵冷艳的特性,一个重大的发现需要各方挑剔,都验证成功,达成普遍共识之后,才能形成定论。

以前的研究结果中,多有非拓扑边界态的贡献,而且所采取的材料体系中,均有复杂的材料异质界面的存在,因为材料的复杂性就可能有其他平庸的解释(即表现的像Majorana fermion mode,但实际确另有原因)。

全文亮点与图文快解

  1. 利用扫描隧道谱研究了铁基超导体FeTe0.55Se0.45的超导狄拉克表面态,观察到了超导体涡旋(vortex core )中的显著的零偏压峰(zero-bias peak, ZBP), 而且该峰在位置变换时,并未发生劈裂。
  2. 在变磁场,温度以及隧穿势垒的实验中,与非拓扑边界态进行分离之后,该零偏压峰的演化行为与纯的马约拉纳边界态十分一致。
中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!
图1 FeTe0.55Se0.45能带结构以及涡旋中心
中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!
图2 零偏压峰(zero-bias peak, ZBP)的能量和空间位置剖析
中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!
图3 零偏压峰(zero-bias peak, ZBP)随温度以及隧穿势垒高度的演化行为

作者介绍

中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!

丁洪,男,汉族,湖南长沙人,现为中国科学院物理所研究员,北京凝聚态国家实验室常务副主任和首席科学家。1990年毕业于上海交通大学,于1995年获美国伊利诺伊大学芝加哥分校的物理博士。1995年9月至1998年8月在美国阿贡国家实验室作博士后。1998年9月至2008年5月在美国波士顿学院大学物理系历任助理教授、副教授、正教授。
主要利用角分辨光电子能谱(ARPES) 研究高温超导体和拓扑材料的电子结构和物理机理,取得了多项国际同行认可的重要成果,特别是在铜基高温超导体赝能隙、铁基超导体超导序参量对称性、外尔费米子在固体材料中的发现中做出了开创性的工作。发表了200多篇学术论文,其中高端杂志文章62篇 (《Nature》5篇,《Nature Physics》4篇,《Nature Communications》6篇,《Physical Review Letters》41篇,《Physical Review X》5篇,《PNAS》1篇),被SCI引用超过11000次,H-引用指数为53,在国际学术会议作邀请报告超过90次。1995年获美国威斯康星同步辐射中心的阿拉丁光源奖,1999年获美国的斯隆奖,2003获美国波士顿学院杰出科研成就奖,2005年获中国国家杰出青年科学基金B类,2008年入选首批国家“千人计划”,2010年获中国侨界“创新人才”贡献奖,2011年被选为美国物理学会会士,2014年获汤森路透中国引文桂冠奖和科研团队奖。
课题组主页:http://ex7.iphy.ac.cn/cn/index.html

中科院物理所高鸿钧、丁洪Science: 八十年“神奇粒子”追寻再获突破,助力量子计算!

高鸿钧,1963年出生于安徽怀远。物理学家,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,美国Appl. Phys. Lett. 杂志副主编和多个国际学术刊物编委。1994年获得北京大学无线电电子学系电子离子与真空物理专业博士学位。在北京大学学习期间,荣获了首届(1992)“北京大学研究生学术十佳”。他的博士论文在当年教育部组织的全国所有学科的博士论文评比中名列前茅。1994年博士毕业后,到中国科学院物理研究所工作,同年被破格提升为副研究员,次年即被破格提升为研究员。他于1997-2000年间在美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)做客座研究员。曾任中国真空学会副秘书长、副理事长,国际真空科学、技术与应用联合会(IUVSTA)纳米科学委员会主席,中国科学院物理研究所副所长、中国科学院大学副校长兼校学术委员会主任。在美国和欧洲的多个著名科研单位与大学做访问教授和学术顾问。

主要从事凝聚态物理研究,在纳米量子结构与物性调控及其潜在应用做出了有重要国际影响的工作,其中部分工作起引领作用。已在国际学术期刊上发表论文350余篇,其中包括Physical Review Letter、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials和Nature系列刊物52篇,引用1万余次。在国际/国内重要会议上作大会报告和邀请报告90余次。在国际上,他荣获了德国“洪堡研究奖”,第三世界科学院“物理奖”,全球华人物理学会“亚洲成就奖”。在国内,他获得了“中国科学院杰出科技成就奖”,“何梁何利科学与技术进步奖”,国家自然科学二等奖等荣誉或奖励。今年,他获得了“2018年度陈嘉庚科学奖”。
课题组主页:http://nano.iphy.ac.cn/N04/index.htm

参考资料

本文参考以下资料写就:

  1. Science原文地址:http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/15/science.aao1797
  2. 丁洪讲述:中国科学家独立发现新型费米子背后: http://www.sohu.com/a/152070731_372479;
  3. 上海交大宣布其科研团队“捕获”马约拉纳费米子: http://scitech.people.com.cn/n1/2016/0623/c1057-28470845.html
  4. “天使粒子”被发现?80年前的预言成真 – 果壳网: http://www.10tiao.com/html/758/201707/2651688909/1.html
  5. “天使粒子”找到了吗?可能需要等等再下结论 | 科学人 | 果壳 科技有意思:https://www.guokr.com/article/442518/
  6. “马约拉纳费米子”被发现?论文作者和凝聚态物理学家们没这么说(2017)

小编物理知识水平有限,必有理解偏颇之处,敬请方家留言指正。

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