尋找馬約拉納費米子

拓撲超導表面態是個什麼態？馬約拉納費米子是個什麼子？這兩個高深的物理概念，大多數普通人作為物理「麻瓜」可能連完整讀出來都有難度。

最近，中國科學院物理研究所（以下簡稱中科院物理所）科研人員與合作者利用超高解析度角光電子能譜儀，在一種鐵基超導體上發現了拓撲超導表面態。目前，基於前期在高溫超導材料中的理論和實驗積累，研究人員正在開展後續研究工作，目標直指馬約拉納費米子。

基於量子力學理論預言

故事要從「基本粒子」開始。探尋世界構成的基本單位，是上百年來物理學家孜孜不倦的追求。他們把構成物質最小、最基本的單位稱為「基本粒子」。量子力學領域按照其佔據能量狀態的不同，把基本粒子分為玻色子和費米子兩大家族。玻色子負責傳遞相互作用力，費米子則負責構成物質。

「比如，光子、引力子是玻色子，而電子屬於費米子。」中科院物理所研究員丁洪告訴《中國科學報》記者。人們熟知的中子、質子等也都是費米子。

圍繞費米子的特點，理論物理學家狄拉克、外爾和馬約拉納利用量子力學和相對論進行了數學運算，預言了三種不同的費米子。這三種費米子都以它們的預言者冠名，分別是「狄拉克費米子」「外爾費米子」和「馬約拉納費米子」。

其中，1937年義大利物理學家馬約拉納猜測，自然界應該存在正反粒子相同的費米子。不久後，這位科學家在一次旅行中失蹤。和馬約拉納的命運一樣，他在理論中預言的這種費米子讓物理學家著迷。目前，高能物理學家認為中微子可能是馬約拉納費米子，但還缺乏確鑿的實驗證據。

固體「宇宙」提供新思路

一直以來，高能物理學家圍繞在真實宇宙中尋找基本粒子付出了大量努力。例如，2012年，歐洲核子研究中心（CERN）宣布在大型對撞實驗中發現希格斯玻色子，這項成果榮膺2013年諾貝爾物理學獎。

在費米子家族裡，科學家們已經在真實宇宙中證實了狄拉克費米子存在，而外爾費米子和馬約拉納費米子在真實宇宙中還沒有被發現。

近年來，凝聚態物理為尋找基本粒子開拓了新思路。在丁洪看來，在固體材料中的「宇宙」里，億萬個電子和原子核通過相互作用形成一種決定母體材料性質的准粒子，這些准粒子與基本粒子可能遵循相同的物理規律。

2015年，來自美國和中國的兩個研究小組幾乎同時宣布在固體材料上發現了符合外爾方程預言的外爾費米子。其中，丁洪領導的合作團隊利用了上海光源的「夢之線」，在砷化鉭晶體中證實了這種沒有質量、具有相反手性的外爾費米子存在。他們在《物理評論X》（PRX）發表的文章今年初入選了美國物理學會為紀念《物理評論》創刊125周年製作的經典論文集，該論文集收錄了49項具有里程碑意義的工作，其中36項工作獲得了諾貝爾獎。

同時，和真實宇宙不同的是，固體材料由一個個分立的單元組成的特性則導致固體「宇宙」不連續，不具有光速不變的性質。「這使固體『宇宙』中可能存在新型費米子。」丁洪表示。去年丁洪領導的合作團隊在磷化鉬晶體中發現了超出狄拉克—外爾—馬約拉納傳統類型的費米子——三重簡併費米子。研究成果在《自然》上發表，併入選2017年中國十大科學進展。

拓撲超導帶來希望

當前，在固體材料中尋找馬約拉納費米子已成為各國物理學家關注的焦點。2014年前後，丁洪帶領的研究團隊把視線轉向了鐵基超導體，他們當時的實驗數據已隱隱約約地顯示出鐵基超導體可能具有拓撲表面態。「拓撲本來是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的一個學科。」丁洪介紹。早在二十多年前研究人員就意識到，拓撲超導體極有可能是尋找馬約拉納費米子的突破口。

事實上，在拓撲超導體中，馬約拉納費米子還將具有一種特殊的零維狀態，被稱為「馬約拉納零能模」。這種零能模對局部變化不敏感，有望作為穩定的量子比特應用在量子計算機上。

不過，一直以來，拓撲超導體往往要通過拓撲材料和超導材料兩種疊加才能實現。在丁洪團隊開展的這項新研究中，研究人員首次用單種鐵基超導體FeTe0.55Se0.45（鐵碲0.55硒0.45）製作並證實了穩定存在的拓撲超導表面態。這項研究在今年3月8日的《科學》在線發表。

丁洪介紹，這篇論文最後預言，如果對這種材料施加外部磁場會得到馬約拉納零能模。「對馬約拉納費米子的研究不僅加深了人類對物質世界的認識，也有巨大應用潛力。」他說，「正如對半導體的研究製造出經典計算機一樣，馬約拉納費米子將會推動量子計算機的發展。」

來源：中國科學報

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