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华人科学家群力突破80年物理难题:张富春这样解读

作者:- 文章来源:- 点击数:165 更新时间:2017/7/22 7:31:08

?埃托雷·马约拉纳(1906-1938),来源:wikipedia埃托雷·马约拉纳(1906-1938),来源:wikipedia

  撰文 | 吕浩然

  7月21日,学术期刊《科学》(Science)在线发表了由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)王康隆课题组主导,斯坦福大学张守晟课题组及上海科技大学寇煦丰课题组等8家单位合作完成的一项研究成果——研究团队首次在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体结合的异质结构中发现了一维手性马约拉纳费米子存在的证据[1]。此次工作也是继去年6月上海交通大学贾金锋课题组发现基态马约拉纳费米子存在的证据之后,该领域又一重大发现,这让我们距离彻底揭开马约拉纳费米子的神秘面纱又近了一步。

  粒子世界有两大家族:费米子家族和玻色子家族,它们分别以物理学家恩利克·费米(Enrico Fermi,1901—1954)和萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose,1894—1974)的名字命名。人类已知的所有基本物质粒子都是费米子,是构成物质的原材料(电子、夸克、中微子),而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。

  较早之前,学界普遍认为,每一种粒子都有它的反粒子,且状态与粒子本身相反。直到1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)预言,自然界中可能存在一类特殊的费米子,它们的反粒子就是它们自身,这种费米子被称为马约拉纳费米子。在马约拉纳预言这种特殊费米子存在后近80年的时间里,科学家一直试图找寻它的踪迹,却一直未果。

  值得一提的是,因为马约拉纳费米子的反粒子就是它本身这一特殊属性,发现它的踪迹对解释宇宙中各种未知的难题具有重要意义。不仅如此,马约拉纳费米子因可以在量子计算过程中形成稳定的比特,考虑到目前量子计算领域的巨大发展潜力,包括微软、IBM等知名IT巨头纷纷投入大量资金,争相占领量子计算领域的制高点。

  2016年6月22日,上海交通大学贾金锋课题组及其合作者在《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表论文[2],宣布课题组在拓扑绝缘体与超导体结合形成的拓扑超导体(TSC)界面中成功观察到了由基态马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流,为证明零维马约拉纳费米子的存在提供了确定性证据。

  而此次研究团队发现,在磁性拓扑绝缘体(Cr-(BiSb)2Te3)薄膜与超导体(Nb/Au)混合的结构中施加强度很低(0.3T)的磁场之后,会形成量子反常霍尔效应态与超导态共存的状态,此时在磁场交替反转的位置可以观测到手性拓扑超导序对应的半整数量子化电导(half-integer quantized conductance plateaus),这种现象也是马约拉纳费米子模式的一个鲜明特征。

  不仅如此,此次研究还具有以下几个创新点:

  可以通过施加外加磁场来改变边界电流的传输路径

  在研究的异质结构体系中,量子反常霍尔态可以与超导态共存,研究人员将其称为手性拓扑超导态(chiral topological superconductor)。

  可以在不同的外加磁场下,实现手性拓扑超导态N从+2→+1→0→-1→-2的量子相变。而当N=±1时,其对应的即为一维手性马约拉纳费米子态。

  论文共同通讯作者,上海科技大学寇煦丰研究员告诉《知识分子》,此次工作首次在二维空间中观测到了手性马约拉纳费米子的量子态,且在不同的样品中实现重复观测。这一发现可能为控制马约拉纳费米子,进而实现拓扑量子容错计算提供了一条新的途径。

  针对此次的研究成果,《知识分子》邀请到了中国科学院卡弗里理论物理研究所所长张富春教授解读:

  《科学》在线发表的美国加州大学洛杉矶分校王康隆实验组与斯坦福大学张首晟理论组等合作在拓扑物质方面的最新研究成果,在实验上发现了手性马约拉纳零能模。马约拉纳费米子是上世纪三十年代在理论上预言的可能存在的一种基本粒子。与电子、质子等自然界其它费米子不同,马约拉纳费米子的反粒子就是它自身。最近的理论研究指出,特定凝聚态体系中可能演生出马约拉纳零能模,它可以组成基本构件发展拓扑量子计算。

  马约拉纳零能模已经在特定的一维链的两端以及二维拓扑超导涡旋中心有实验报道,并正在研制量子比特。王康隆等发现的马约拉纳粒子与之前发现的局域粒子不同之处在于,此次发现的是在二维边界上延伸的手性模式,可用于输运。这一发现将对凝聚态中马约拉纳粒子的研究和可能的应用起到很大的推动作用。

  最早关于手性马约拉纳零能模存在的预言指出,该零能模存在于手性P-波超导的边界。但由于材料问题,一直没有能够实现。王康隆课题组此次的发现是在量子反常霍尔绝缘体上利用超导邻近效应实现的。他们用外磁场调控量子态,在量子反常霍尔效应磁性反转附近观察到了半整数量子化的电导,获得了马约拉纳粒子存在的有力证据。他们的发现,也是我们中国几年前由薛其坤团队发现的量子反常霍尔效应的一个重要应用。

  参考文献:

  [1] Qing Lin He, Lei Pan, et al。 & Kang L。 Wang, Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure, Science。 21 JULY 2017, VOL 357 ISSUE 6348。

  [2] Hao-Hua Sun, Kai-Wen Zhang, et al。 & Jin-FengJia, Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor, Phys。 Rev。 Lett。 116, 257003 (2016)。

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