上海交大团队捕获马约拉纳费米子 或敲开拓扑量子计算大门

【视频】上海交大制成“神奇”薄膜 年内或找到“马约拉纳费米子”

近日，上海交通大学科研团队在实验室里成功捕捉到了一种物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。这种粒子既是困扰物理学界80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。美国东部时间6月21日（北京时间6月22日），国际顶级物理学刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合作者的论文：“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor”。通过巧妙的实验设计，贾金锋研究团队率先观测到了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，这次中国科学家成功“探测”到了它的踪迹，也许离人类跨入量子计算时代的梦想会迈进一大步。

揭开困扰物理学界80年的神秘粒子“面纱”

在物理学领域，科学家把构成物质的最小、最基本的单位叫做“基本粒子”，它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质，也是构成各种各样物质的原材料。

在粒子世界里，住着两大家族：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子），它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为，每一种粒子都有它的反粒子，费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样，但脾气完全相反的双胞胎兄弟，两兄弟一见面就“大打出手”，产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。

然而在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不但和它自己长相一样，脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子，可以说，它们的反粒子就是自己本身，这种费米子被称为“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。但是，令科学家十分头疼的是，要证明这一点却是非常的困难，必须观察到一种所谓的无中微子双贝塔衰变的现象。尽管科学家做了很多努力，但在过去的近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。

2016年初，中国的科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。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合作形成的研究团队，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。

“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。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，也就是说把传统意义上的某种粒子的集体行为的某些表现，看作是一个粒子的行为（即准粒子）。这样可以大大简化模型，便于正确表述某些具体物理现象的物理机理。” 贾金锋介绍说，粒子和准粒子的关系就像球员和球队的关系：一支足球队中每个球员可以看作是传统意义上的粒子，球员之间相互配合可以看作是粒子之间的非常复杂的相互作用，虽然每个球员都有自己的特色，但整体上球队却会表现出来一个统一的风格。例如西班牙国家队可以用传控足球风格来描述，意大利国家队则是体现了一种防守反击战术。我们可能不了解队中每个球员的特点以及球员之间的配合情况，但是他们整支球队却像一个准粒子一样可以比较简单地被认识。

也有科学家一直认为，至今还没有被直接观测到的中性超对称费米子很可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质，而这种中性超对称费米子可能就是一种马约拉纳费米子。因此，观测到复合的马约拉纳费米子，对于揭开暗物质的谜团也许又进了一步。

“原子指南针”探测到马约拉纳费米子存在的关键证据

近80年来，各国科学家从来没有停止对马约拉纳费米子的寻找，几年前理论物理学家预言，马约拉纳费米子很有可能在拓扑超导体的涡旋中心能找到，然而，自然界中至今还没有发现拓扑超导体，那么贾金锋团队又是怎样使马约拉纳费米子“露面”的呢？

“寻找马约拉纳费米子的过程就是不断突破、不断创新的过程。理论预言，在拓扑绝缘体上面放置超导材料就能实现拓扑超导。这件事情听起来容易，但却在材料科学领域是一大难题。而且，由于在上方的超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被探测到。”贾金锋说，在大量实验基础上，他们没有按照大多数人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最终，把超导材料放在了下面，使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上，观察起来更方便了，为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。

在马约拉纳费米子研究的最初阶段，没人知道这种神秘的粒子会以什么形式出现，贾金锋团队的研究人员所能做的只是仔细搜寻拓扑超导体上的所有蛛丝马迹。虽然他们陆续找到了一些这种粒子存在的迹象，但一直不能最终确定这些迹象就一定代表马约拉纳费米子的本征特性。2014年底，一篇理论文章预言了马约拉纳费米子的磁学性质，他立刻敏锐地意识到，可以用自旋极化的扫描隧道显微镜来探测马约拉纳费米子。“地球有南极和北极，同样，在磁性材料表面的不同位置处也有‘南’与‘北’，这就是材料的磁学性质。自旋极化的扫描隧道显微镜的针尖具有磁性，它就像一个‘原子指南针’，能够准确地探测一个原子的磁性特征，帮助我们找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的的马约拉纳费米子。”

然而，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。目前，上海交通大学研究团队拥有的仪器还达不到所需要的低温（40mK，比绝对零度只高0.04K）。怎么办？他们一方面积极为实验进行准备，摸索样品生长条件，准备磁性针尖等。另一方面，他们四处联络，寻找有条件的单位。结果很幸运，在微结构科学与技术2011协同创新中心内，发现南京大学刚刚建设一台40mK的扫描隧道显微镜系统，可以为该实验提供了一个充分的实验条件。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马约拉纳费米子存在的有力证据。“在实验中，我们观察到了由马约拉纳费米子所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，他们又很快与协同创新中心的另外一个成员单位浙江大学合作，进行理论计算等。在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，马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开，贾金锋表示，这是他们的实验首次观测到马约拉纳费米子的自旋相关性质, 同时也提供了一种用相互作用调控马约拉纳费米子存在的有效方法，还为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接测量的办法。

或在拓扑量子计算领域大展身手

找到马约拉纳费米子意味着什么？意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破，同时也意味着在固体中实现拓扑量子计算成为可能。这个发现或将引发新一轮电子技术的革命，使人类进入拓扑量子计算的时代。

与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它对数据的处理速度惊人，如果把量子计算机比作飞机的话，那么普通计算机只能算是自行车。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。

以天气预报为例，由于现有技术的局限，现在人们对天气的预测不可能达到每次都非常准确。如果使用量子计算机来计算天气数据，不仅能瞬间运算海量数据，预测的准确性也会大大提高。当然，精确地预测天气对于量子计算机来说还不算什么，它能对海量已经合成的新材料，甚至还能对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地计算，为材料科学领域带来革命性的进步。而科学家们预期马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。

据介绍，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，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自己本身，它的状态非常稳定。这些属性或许使量子计算机的制造变成现实的一个关键，从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。

学界评价：

Physical Review Letters审稿人：The authors report the detection of Majorana fermions in artificial topological superconductors using spin-polarized scanning tunneling microscopy. Their experimental results prove the theoretical prediction (ref. 16) of spin selective tunneling by Majorana fermions. Overall, the results are clear and convincing, and provide a straightforward way to observe the elusive Majorana fermions.

中文翻译：作者报告了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。他们的实验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。总之，实验结果是清楚和可信的，提供了一个直接观测神秘的马约拉纳费米子的实验方法。

美国科学院院士、MIT讲席教授Patrick Lee：This experiment is a tour de force combining state of the art sample growth and STM measurement, all in the same chamber. It is the first experiment which probes the spin dependent properties of a possible Majorana state in the vortex core. The data are in qualitative agreement with theoretical expectations and is strongly suggestive of the existence of Majorana states. It opens a new window in the study of Majorana physics and will surely inspire more experimental and theoretical advances.

中文翻译：这个实验把最高水平的样品生长和STM测量结合在一起，所有的都在一个真空室中完成，是一个旷世之作。这是第一个研究涡旋中马约拉纳态自旋相关特性的实验。实验数据定性地与理论预期符合，这强烈地说明马约纳拉态的存在。这个工作打开了一个研究马约拉纳物理的新窗口，将一定会带来更多的理论和实验进展。

科学突破奖获得者、拓扑理论新星、MIT教授Liang Fu： The STM experiment led by Prof. Jinfeng Jia provides compelling evidence for Majorana fermions in topological insulator-superconductor heterostructures. Majorana fermions are expected to emerge in the solid state as a new type of particles exhibiting exotic fundamental properties and potentially forming the building block of quantum computers. In addition to demonstrating their existence as theoretically predicted, this experiment detects the unusual spin properties of Majorana fermions for the first time. Moreover, the finding of Majorana fermions under a very small magnetic field suggests topological insulator-superconductor heterostructures as a robust material platform for research and possibly device applications, and will undoubtedly inspire many more future works in this exciting area.

中文翻译：贾金锋领导的扫描隧道显微镜实验为在拓扑绝缘体-超导体异质结中的马约拉纳费米子提供了令人叹服的证据。理论预言马约拉纳费米子作为一种有新的基本特性的粒子会在固体中出现，并可以作为量子计算的基础。这个实验除了证明马约拉纳费米子像理论预言的那样存在，还第一次研究了它不同寻常的自旋特性。更重要的是，他们在非常小的磁场下发现了马约拉纳费米子，这说明拓扑绝缘体-超导体异质结是一个非常可靠的材料平台，并具有可能的器件应用前景，这将毫无疑问地在这个激动人心的领域里激发更多的工作。

清华大学副校长薛其坤院士：2012年，上海交通大学研究团队在国际上首先制备出拓扑绝缘体/超导体异质结，这是材料科学的一个突破，也使得他们在这场竞赛中占据了战略制高点。经过几年的努力攻关，特别是在去年年底他们与南京大学等单位合作，从实验上观察到了由Majorana费米子引起的自旋相关的Andreev反射，确定性地证明了Majorana费米子模的存在。这是该领域的一个突破，是一个里程碑工作。这不仅从实验上首次证明了马约拉纳粒子模的存在，也使得利用它进行拓扑量子计算成为可能。