“揭开马约拉纳费米子神秘“真身””

本篇文章2801字，读完约7分钟

8月17日，联合研究小组的中国科学院院士高鸿钧进行了成果介绍。 沈慧摄

最近，中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧和丁洪率领的联合研究小组宣布，在超导块上首次关注了马约拉娜·费米子。 这一发现将大大推动马约拉纳物理的研究，对构建高度稳定的量子计算机将起到重要的作用。

与以往的探索相比，中国科学家此次发现的马拉那费米子的清洁度更高，可以在较高的温度下实现，而且材料联系更简单。 “对构建稳定、高容错、可扩展的拓扑量子计算机具有极其重要的意义。 ”。 中国科学院院长白春礼说。 前几天，相关研究成果在《科学》杂志上在线发表。

魔法马约拉娜·费米

当马拉那费米子作为准粒子出现在固体材料表面时，变成“马拉那任意子”，构造拓扑量子位，可以应用于自容错的拓扑量子计算机中

人类文明的进步依赖于对物质的进一步认识。 我们知道，我们所处的宇宙由物质组成，构成物质的最小、最基本的单位是基本粒子。

根据现有的认识，按照其占有能量状态，科学家们把基本粒子分为沃尔沃和费米两大家族。 沃尔沃传播相互作用力，费米负责构成物质。 我们周围的太阳、高山、河流等物质是由费米基本粒子构成的。

1928年，英国理论物理学家保罗·狄拉克大胆预测:宇宙中的各基本粒子必然有对应的反粒子，粒子与反粒子碰撞后会相互消失，释放能量。 1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳提出了另一种构想，认为自然界中应该存在正反粒子相同的费米子，而其反粒子就是其自身。

这个不可思议的费米子，后来被称为马约拉纳费米子。 有人推测，被称为“鬼粒子”的中微子是马约拉纳费米的“最佳嫌疑人”。 但是，80多年过去了，这是让无数科学家“倾倒”的“神秘人”，“真实身份”很难出现。

中国科学院物理所研究员丁洪直言:“在真正的宇宙中，解释马约拉娜·费米的存在远远小于发现暗物质的概率。”

所以，为什么“执着而不悟”？ 丁洪说，如果马约拉娜·费米能被证明存在，这将是继发现“神的粒子”之后，另一个诺奖级的重大发现。 但是，驱使科学家们“疯狂”的更重要的原因是，当马约拉纳费米子作为准粒子出现在固体材料的表面时，它会成为马约拉纳的任意分子(量子态)，构建拓扑量子位，可以应用于自容错的拓扑量子计算机中

年首次发现马拉娜·费米存在证据的著名华裔物理学家，美国斯坦福教授张初盛参考畅销书《天使与恶魔》，给这个神秘粒子加上了单独的名字——“天使粒子”。 书中，一个秘密组织企图用定时炸弹炸毁梵蒂冈，而这个炸弹的威力来自于物质和反物质的消失所引起的反应。 “但是今天，我们发现了没有反粒子的粒子。 这是一个只有天使，没有恶魔的完美世界。 ”张盛说。

改变“鱼塘”捕获准粒子

如果说宇宙是一个很大的“香菇”，那么各种各样的粒子就隐藏在里面。 具体到马约拉纳的任意子上，中国科学家发现了合适的“鱼塘”——新的超导块。

广阔的宇宙，如何去追求它的“芳迹”？ 如果说宇宙是一个很大的“香菇”，那么各种各样的粒子就隐藏在里面。 一般来说，有两种搜索路径。 一是研究电子、质子、中子等的形成理论。 二是通过合理的推理预言宇宙中应该存在粒子，然后寻找像中微子一样被发现的设计方案。

具体到马约拉纳的任意一个孩子，除了升级“抓捕”装备外，还可以考虑改变“香菇”。 这个“鱼塘”是科学家们常说的固体材料，如金属、非金属、超导体等。 固体材料的内部结构为粒子们的形成提供了丰富的环境，但不同的固体材料提供的环境也不同，最终形成的准粒子差异很大。

什么是准粒子？ “有些准粒子可以看作宇宙中实际粒子在固体中的影子。 它们遵循与实际粒子相同的物理法则，但行为受到限制，只能在固体材料中。 ”。 丁洪说。

北京大学物理学院量子材料科学中心副主任杜瑞瑞瑞举例说，一杯水中有气泡，这些气泡是准粒子，但离开这杯水后气泡就不存在了，所以不能取出气泡。 换言之，基本粒子可以独立存在，但准粒子不存在，只存在于一定的环境中。

对此，科学家们应该做的是寻找合适的“鱼塘”，在合适的温度、压力、磁场下，寻找准粒子。

在千万现有的“鱼塘”中，中国科学家发现了适宜的“鱼塘”——新型超导块。 这次，高鸿钧和丁洪率领的联合研究小组在新区块超导材料系统“鱼塘”中发现了马约拉纳准粒子。

“此前也有研究小组声称发现了马约拉纳准粒子，但“鱼塘”制作过多，复杂，条件艰苦，观测结果也不理想。 ”。 丁洪表示

有望推进拓扑量子计算机

基于马拉那任意子的拓扑量子计算机具有很强的抗干扰性，克服了量子计算机的弊端。 这是因为它在构建高度稳定的量子计算机方面起着重要的作用

这个发现有什么意义？

多年来，科学家在聚集态物质的众多系统中寻找马约拉纳费米子，这已经成为国际科技界激烈竞争的战术顶点之一。 迄今为止，美国、荷兰、中国、丹麦等多个研究小组主张找到了马约拉纳的任意子和费米子的证据。 但是，他们的实验都需要构建异质的体系结构，其工艺多而复杂，同时也需要极低温的条件(小于1开尔文)。

此次，中国联合研究小组利用超低温―强磁场―扫描探针显微镜系统首次观测到了单一超导材料中纯度更高的马约拉纳准粒子。

“我们观测到的马约拉那的任意分子不与其他准粒子状态混合，成分纯度很高。 并且，实验表明，该马拉那任意子在强度6t以下的磁场和4开尔文以下的温度下稳定存在。 这表明，在其他多波段高温超导体中也可能存在马约拉那的任意分子。 ”。 丁洪说。

张初盛说，他的团队一年前发现的马约拉纳费米子表示，实验体系是由常规超导体和量子异常拓扑绝缘体组成的混合器件，同时现象出现在极低温的极端条件下。 此次研究中使用的实验体系，多个物理性质优于混合系统，同时不需要极端的超低温条件。 因此，这一发现将极大地推动马约拉纳物理的研究。

麻省理工学院的讲座教授、美国科学院院士文小刚认为，多年来，实验物理学家一直在寻找马约拉纳费米在实际材料中的痕迹。 此次，重要的发现是关注铁基超导材料表面马拉那亚粒子的特征信号，使其具有较高的稳定性。 因此，该研究有可能将铁基超导材料应用于构建环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

在量子计算机中，存储和解决新闻的基本单位称为量子比特，传统上流传的计算机用“0”或“1”的二进制比特进行计算，而量子计算机采用的量子比特可以是“0”或“1”。 它具有更高的运行速度和更大的计算量特征，而且还衍生出由于局部环境的干扰，量子比特的叠加状态消失，从而导致计算失败的弊端。

学术界预测，50个量子比特的量子计算机在用户提问方面将超越世界上最强大的经典计算机，从而实现“量子霸权”。 “基于马约拉那任意子的拓扑量子计算机对环境这一局部干扰具有很强的抗干扰性，其本身具有很高的容错性。 因此，在材料中发现马约拉那的任意分子，对构建高度稳定的量子计算机有重要的作用。 ”。 中国科学院大学卡尔弗利理论科学研究所所长张富春作了如下发言。

来源：人民视窗网