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中科院在铁基超导体中发现天使粒子魅影,拓扑量子计算更近了

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发表于 2018-8-17 12:40 超大游击队员 | 显示全部楼层 |阅读模式

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国际物理学界追寻正反同体的马约拉纳费米子已有80多年,近日,它的魅影出现在铁基超导体上。这意味着,人类距离拓扑量子计算更近了一步。

8月17日上午,中国科学院召开新闻发布会,宣布中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心在两台独立的He-3极低温度强磁场扫描隧道显微镜上,通过对大量样品进行上百次He-3低温测量,成功在FeTe0.55Se0.45单晶的磁通涡旋中实现了零能马约拉纳束缚态的大量重复观测。相关论文发表在当天凌晨的世界顶级学术期刊《科学》(Science)上。


主导此项研究的北京凝聚态国家实验室首席科学家丁洪告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),这是国际上首次利用单一材料,在比其他复合材料都要高的工作温度中观测到了更纯的马约拉纳费米子模。目前,丁洪团队正在尝试利用这种准粒子编织拓扑量子比特,一旦成功,拓扑量子计算机将走向现实,无疑是诺奖级别的成果。

那么,什么是马约拉纳费米子模?“准粒子”与“粒子”有何区别?它们与量子计算又有什么关系?

正反同体的神秘粒子

物理学领域的基本粒子分为两种:费米子和玻色子,分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。费米子包含电子、夸克等我们熟悉的粒子。

1928年,物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)做出了一个惊人的预测:宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时,它们会湮灭,同时释放出一股能量。

1937年,意大利天才物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在他的论文中提供了另一种预测:应该有一些费米子,自己就是自己的反粒子,并可以用一个波动方程来描述。

值得一提的是,马约拉纳预测之后悄然失踪,给这一预言增添了神秘色彩。随后,人类踏上了寻找这一神奇粒子的漫长过程。

著名华裔物理学家、美国斯坦福大学教授张首晟给马约拉纳费米子起了个别名叫“天使粒子”,灵感来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有魔鬼的完美世界。”

“附身”在固体材料上的粒子魅影

在粒子物理的标准模型中,中微子一直是马约拉纳费米子的“最佳嫌疑人”。不过,证明这一点需要进行无中微子的beta双衰变实验,人类暂时还没有能力达到相应的实验精度。因此,一些科学家将目光转向了凝聚态物理。

凝聚态物理学研究的是由大量粒子组成的凝聚态结构,一般无法直接观测到单个粒子。不过,固体材料(比如金属、非金属、半导体、超导体)内部的自由电子,在何时的磁场、压力、温度等外部条件下,会产生特定的集体活动趋势,仿佛是一个虚拟粒子。

这些“准粒子”,在合适的环境条件会表现出和真实粒子一样的物理规律,只是“附身”在固体材料上,可以视作粒子投射其上的魅影。

凝聚态科学家们要做的,就是寻找合适的固体材料和合适的环境条件,“创造”出马约拉纳费米子的影子,即马约拉纳费米子模。

单一材料,更高温度

2016年6月,上海交通大学贾金锋教授及其合作者在国际顶级物理学刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表论文指出,他们通过巧妙的实验设计率先观测到了在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹。

2017年7月,张首晟、何庆林、寇煦丰、王康隆等4位华人科学家组成的联合团队在《科学》上发表论文,他们在量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中观测到了半整数量子电导平台,为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。

不过,此前的成果都是在比较复杂的固体材料中找到马约拉纳费米子模,需要在非常低的温度下工作,因此需要大量昂贵的液氦。这次,丁洪利用一种新型的铁基超导体,在单一材料上就创造出了马约拉纳费米子模,提高了工作温度。并且,最终得到的马约拉纳费米子模是国际上最为纯粹的。

“编织”拓扑量子计算机

这种正反同体的“天使粒子”,可能正是量子计算机需要的点睛之笔。目前,各大科技巨头在量子计算上纷纷投入了“军备竞赛”级别的研发和资金力量。

传统的计算机运用要么是“0”,要么是“1”的二进制比特进行计算,量子计算机使用的量子比特则可以同时是“0”或“1”。理论上,10个量子比特可以平行计算2的10次方次。学界主流预测,50个量子比特的量子计算机就可以在特定问题上超过世界上最强大的经典计算机,实现“量子霸权”。

IBM最近完成了50比特原型机,谷歌也于年初发布了研制高质量72比特量子计算机的计划,微软却另辟蹊径:他们目前一个量子比特也没公布,但宣称一旦找到一个拓扑量子比特,就会比1000个嘈杂的量子比特更强大。

微软重金押注的拓扑量子比特,正是马约拉纳费米子。

原来,量子计算不是个简单的比谁比特数多的问题,量子比特的质量同样重要。然而,量子比特的状态是非常脆弱的,甚至观测本身就会破坏它们。

而拓扑固体材料可以提供独特的稳定环境,帮助囚禁其中的量子比特对抗扰动。所谓拓扑,直观上就是几何上的不变性:有些系统,不管其中的个体怎么变化,有一些性质在整体上是不变的。放在拓扑量子计算这个例子上,科学家们就构想像编辫子一样编织固体材料中的马约拉纳费米子模,构建一种特殊的拓扑结构,自身能守住某种整体性质,容错能力强大。只要外界干扰不是特别大,拓扑系统中的量子比特就能持续正常计算。

丁洪表示,自去年在铁基超导体中找到了零能马约拉纳束缚态,团队就在尝试进一步编织拓扑量子计算系统。

丁洪,湖南长沙人,1995年在美国伊利诺伊大学获得博士学位,曾在波士顿学院任职正教授,2008年入选首批“千人计划”回国,担任中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态国家实验室首席科学家,主要利用光电子能谱研究高温超导体和新奇量子材料的电子结构和物理机理。

2015年,丁洪首次利用同步辐射在固体材料中发现外尔费米子,入选了美国《物理》评选的2015年8大标志性成果、英国《物理世界》评选的2015年10大突破和中国科技部评选的2015年中国科学10大进展。



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 楼主| 发表于 2018-8-17 12:41 超大游击队员 | 显示全部楼层
又是我大湖南的人才
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 楼主| 发表于 2018-8-17 12:45 超大游击队员 | 显示全部楼层
又一个诺奖级发现,这样的发现天朝已经不少了,比如马约拉纳费米子,三重简费米子,外弗尔费米子,新型铁基超导,新型量子反常霍尔效应等
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 楼主| 发表于 2018-8-17 14:31 超大游击队员 | 显示全部楼层
马约拉纳费米子(英语:Majoranafermion)是一种费米子,它的反粒子就是它本身。与此相反,狄拉克费米子(Diracfermion)则是指反粒子与自身不同的费米子。 这一概念由埃托雷·马约拉纳于1937年提出,他对狄拉克方程式改写得到了马约拉纳方程式,可以描述中性自旋1/2粒子,因而满足这一方程的粒子为自身的反粒子。马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化的产生及湮没算符表示。产生算符γj产生量子态为j的费米子,湮没算符γj则将其湮没(或者说产生相应的反粒子)。狄拉克费米子的γj与γj不同,而马约拉纳费米子中两者相同。 除了中微子以外,所有标准模型的费米子的物理行为在低能量状况与狄拉克费米子雷同(在电弱对称性破坏后),但是中微子的本质尚未确定,中微子可能是狄拉克费米子或马约拉纳费米子
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 楼主| 发表于 2018-8-17 14:34 超大游击队员 | 显示全部楼层
几十年来,粒子物理学家们一直在寻找马约拉纳费米子。2008年后,凝聚态物理学家们开始思考一些新方法,让马约拉纳费米子能从固体物质内电子的集体行为中形成,尤其是在固体物质同超导体或一维电线相互接触的表面形成。今年1月9日,《自然》杂志网站还撰文指出,物理学家们将在2012年发现马约拉纳费米子。

现在,考文霍夫团队宣称,他们或许已制造出了马约拉纳费米子。在他们设计的装置中,锑化铟纳米线同一条电路相连,该电路一端有一个黄金触点而另一端有一块超导体薄片,接着,科学家们将这套设备暴露到一个中等强度的磁场内。随后,他们测量了纳米线的导电率,结果表明,在电压为零时,导电率出现了一个峰值,这同一对马约拉纳费米子形成相吻合,在锑化铟纳米线同超导体薄片接触区域的两端各有一个马约拉纳费米子。为了确保结果可靠,该研究团队改变了磁场的方位并检查峰值的到来和离开,与马约拉纳费米子出现预计的情况一样。

尽管已有其他团队报告过马约拉纳费米子在固体物质中“现身”的间接证据,但哈佛大学的物理学家杰·叟听了考文霍夫的演讲后表示,这是一个直接的测量,“我认为这是迄今最富成效的实验,很难认为这不是马约拉纳费米子。”不过,考文霍夫制造出的这些粒子是否足够“长寿”用来做量子比特还有待研究。

如果最新研究结果经得起检验,它将不仅率先制造出马约拉纳费米子,更是固体物理学领域的重大进步。人们认为,至今还没有被直接观测到的中性微子可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质,其可能是一种马约拉纳费米子。

2016年6月22日,《物理评论快报》发表文章,上海交通大学贾金锋教授及其合作者经过七年努力首次观测到马约拉纳费米子。
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 楼主| 发表于 2018-8-17 14:44 超大游击队员 | 显示全部楼层
新华社上海6月23日电(记者仇逸)上海交通大学22日宣布,通过巧妙的实验设计,贾金锋教授领衔的研究团队和其他机构合作,率先观测到在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹。在过去的80年里,粒子物理学家一直在搜寻马约拉纳费米子,这种粒子既是困扰物理学界多年的正反粒子同体的特殊费米子,也是未来制造量子计算机的可能候选对象。

国际顶级物理学刊物《物理评论快报》在线发表了贾金锋教授及其合作者的论文。这一成果或许意味着人类朝着跨入量子计算时代的梦想迈进重要一步。

粒子分成两大类:费米子和玻色子。早在1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种费米子的反粒子即其本身,被称为“马约拉纳费米子”。粒子物理标准模型里的中微子是一种可能的马约拉纳费米子。尽管做了很多努力,但在过去的80年中,物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。

“事实上,我们所发现的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子,而是一种准粒子,但它同样符合马约拉纳的预言。”贾金锋介绍说,准粒子是凝聚态物理中一个重要概念,它是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法,也就是说把粒子集体行为的某些表现,看作是一个粒子的行为。“这样可以大大简化模型,便于正确表述一些具体物理现象的机理。”

在大量实验基础上,研究人员创新性地使超导材料上方“生长”出拓扑绝缘体薄膜,让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体,直接把马约拉纳费米子从“暗处”翻到“明面”上,观察起来更方便,为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。

马约拉纳费米子的磁性非常弱,要探测到它需要有更加灵敏、更低温度的扫描隧道显微镜。南京大学的尖端扫描隧道显微镜系统为实验提供了条件。随后,团队研究人员按照预先设计好的方案,用自旋极化的扫描隧道显微镜在“人造拓扑超导薄膜”表面的涡旋中心进行了仔细测量。 2015年底,贾金锋团队及其合作者终于直接观察到了由马约拉纳费米子引起的特有自旋极化电流,这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。此后,他们又与浙江大学合作,进行理论计算;2016年初,研究团队发现理论计算的结果完全支持实验观测到的结果。通过反复对比实验,发现只有马约拉纳费米子才能产生这种自旋极化电流的现象。

至此,在上海交通大学大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的合作下,马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开。

据介绍,人类迄今还没有制造出真正意义上的量子计算机,其中一个很重要的原因,是因为目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定,电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是其本身,它的状态非常稳定;这些属性或许能使量子计算机的制造变成现实,从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门
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发表于 2018-8-17 20:37 超大游击队员 | 显示全部楼层
量子计算和受控核聚变应该是开启下一次科技革命的钥匙。
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 楼主| 发表于 2018-8-18 14:07 超大游击队员 | 显示全部楼层
学士后 发表于 2018-8-17 20:37
量子计算和受控核聚变应该是开启下一次科技革命的钥匙。

应该是量子科技,可控核聚变还有人工智能这三个领域
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发表于 2018-8-20 01:52 | 显示全部楼层
看天书一般
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发表于 2018-8-21 00:30 | 显示全部楼层
又是我大湖南的人才
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发表于 2018-8-22 11:28 | 显示全部楼层

RE: 中科院在铁基超导体中发现天使粒子魅影,拓扑量子计算更近了

厉害了天朝! 发表于 2018-8-17 12:45
又一个诺奖级发现,这样的发现天朝已经不少了,比如马约拉纳费米子,三重简费米子,外弗尔费米子,新型铁基 ...

持之以恒30年 科技才是第一生产力

科技才会让人明白世界是如何运行的
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发表于 2018-8-22 11:29 | 显示全部楼层

RE: 中科院在铁基超导体中发现天使粒子魅影,拓扑量子计算更近了

学士后 发表于 2018-8-17 20:37
量子计算和受控核聚变应该是开启下一次科技革命的钥匙。

还有新材料和物联网
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发表于 2018-8-22 11:29 | 显示全部楼层

RE: 中科院在铁基超导体中发现天使粒子魅影,拓扑量子计算更近了


你就这么理解 离宇宙的基本构成又近了一步
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发表于 2018-8-22 11:30 | 显示全部楼层

RE: 中科院在铁基超导体中发现天使粒子魅影,拓扑量子计算更近了

北京野人 发表于 2018-8-21 00:30
又是我大湖南的人才

你也是湖南的?现在北京生活?
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发表于 2018-8-22 16:05 | 显示全部楼层

RE: 中科院在铁基超导体中发现天使粒子魅影,拓扑量子计算更近了

bjnr 发表于 2018-8-22 11:30
你也是湖南的?现在北京生活?

是的,老家是湖南的, 户口是北京的。
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发表于 2018-8-22 16:08 | 显示全部楼层

RE: 中科院在铁基超导体中发现天使粒子魅影,拓扑量子计算更近了

北京野人 发表于 2018-8-22 16:05
是的,老家是湖南的, 户口是北京的。

威武啊 我大湖南
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 楼主| 发表于 2018-8-22 22:54 超大游击队员 | 显示全部楼层
北京野人 发表于 2018-8-22 16:05
是的,老家是湖南的, 户口是北京的。

原来是老乡啊,我也是湖南的
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发表于 2018-8-23 11:21 超大游击队员 | 显示全部楼层
观察到的是马氏费米子的宏观模态效应,因为使用新材料的原因,效应明显并且实验条件不需要很苛刻。
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发表于 2018-8-24 01:44 | 显示全部楼层
量子计算是否只在高并发相对于传统计算有优势?
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发表于 2018-9-16 13:33 | 显示全部楼层
希望这辈子用上核聚变电池量子芯片AI手机
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发表于 2018-9-18 19:05 超大游击队员 | 显示全部楼层
可不可以说费米子就是道家太极,极阴极阳同生
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发表于 2018-12-9 03:30 超大游击队员 | 显示全部楼层
每个字都认识,但就是看不懂……
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