【視頻】上海交大制成“神奇”薄膜 年內或找到“馬約拉納費米子”

近日，上海交通大學科研團隊在實驗室里成功捕捉到了一種物理學家尋找多年的神秘粒子——馬約拉納費米子。這種粒子既是困擾物理學界80多年的正反粒子同體的特殊費米子，也是未來制造量子計算機的可能候選對象。美國東部時間6月21日（北京時間6月22日），國際頂級物理學刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線發(fā)表了上海交通大學賈金鋒教授及其合作者的論文：“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor”。通過巧妙的實驗設計，賈金鋒研究團隊率先觀測到了在渦旋中的馬約拉納費米子的蹤跡。在過去的80年里，粒子物理學家一直在搜尋馬約拉納費米子，這次中國科學家成功“探測”到了它的蹤跡，也許離人類跨入量子計算時代的夢想會邁進一大步。

揭開困擾物理學界80年的神秘粒子“面紗”

在物理學領域，科學家把構成物質的最小、最基本的單位叫做“基本粒子”，它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質，也是構成各種各樣物質的原材料。

在粒子世界里，住著兩大家族：費米子家族（如電子、質子）和玻色子家族（如光子、介子），它們分別以物理學家費米和玻色的名字命名。一般認為，每一種粒子都有它的反粒子，費米子和它的反粒子就像一對長相一模一樣，但脾氣完全相反的雙胞胎兄弟，兩兄弟一見面就“大打出手”，產生的能量甚至會讓它們瞬間湮滅。

然而在1937年，意大利物理學家埃托雷?馬約拉納預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，這種費米子的反粒子不但和它自己長相一樣，脾氣也完全相同。兩兄弟站在一起就像照鏡子，可以說，它們的反粒子就是自己本身，這種費米子被稱為“馬約拉納費米子”。粒子物理標準模型里的中微子是一種可能的馬約拉納費米子。但是，令科學家十分頭疼的是，要證明這一點卻是非常的困難，必須觀察到一種所謂的無中微子雙貝塔衰變的現(xiàn)象。盡管科學家做了很多努力，但在過去的近80年中，物理學家一直都未找到馬約拉納費米子存在的證據(jù)。

2016年初，中國的科學家終于發(fā)現(xiàn)了這類神秘粒子存在的跡象。上海交通大學大賈金鋒教授研究組與浙江大學許祝安、張富春研究組，南京大學李紹春研究組及美國麻省理工學院傅亮教授等合作形成的研究團隊，率先觀測到了在拓撲超導體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據(jù)。

“事實上，我們所發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費米子并不是一個傳統(tǒng)意義上的粒子，而是一種準粒子，但它同樣符合馬約拉納的預言。準粒子是凝聚態(tài)物理中一個重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，也就是說把傳統(tǒng)意義上的某種粒子的集體行為的某些表現(xiàn)，看作是一個粒子的行為（即準粒子）。這樣可以大大簡化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象的物理機理。” 賈金鋒介紹說，粒子和準粒子的關系就像球員和球隊的關系：一支足球隊中每個球員可以看作是傳統(tǒng)意義上的粒子，球員之間相互配合可以看作是粒子之間的非常復雜的相互作用，雖然每個球員都有自己的特色，但整體上球隊卻會表現(xiàn)出來一個統(tǒng)一的風格。例如西班牙國家隊可以用傳控足球風格來描述，意大利國家隊則是體現(xiàn)了一種防守反擊戰(zhàn)術。我們可能不了解隊中每個球員的特點以及球員之間的配合情況，但是他們整支球隊卻像一個準粒子一樣可以比較簡單地被認識。

也有科學家一直認為，至今還沒有被直接觀測到的中性超對稱費米子很可能組成了宇宙中大多數(shù)甚至全部的暗物質，而這種中性超對稱費米子可能就是一種馬約拉納費米子。因此，觀測到復合的馬約拉納費米子，對于揭開暗物質的謎團也許又進了一步。

“原子指南針”探測到馬約拉納費米子存在的關鍵證據(jù)

近80年來，各國科學家從來沒有停止對馬約拉納費米子的尋找，幾年前理論物理學家預言，馬約拉納費米子很有可能在拓撲超導體的渦旋中心能找到，然而，自然界中至今還沒有發(fā)現(xiàn)拓撲超導體，那么賈金鋒團隊又是怎樣使馬約拉納費米子“露面”的呢？

“尋找馬約拉納費米子的過程就是不斷突破、不斷創(chuàng)新的過程。理論預言，在拓撲絕緣體上面放置超導材料就能實現(xiàn)拓撲超導。這件事情聽起來容易，但卻在材料科學領域是一大難題。而且，由于在上方的超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被探測到?！辟Z金鋒說，在大量實驗基礎上，他們沒有按照大多數(shù)人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最終，把超導材料放在了下面，使它上方“生長”出了拓撲絕緣體薄膜，讓拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費米子從“暗處”翻到了“明面”上，觀察起來更方便了，為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎。

在馬約拉納費米子研究的最初階段，沒人知道這種神秘的粒子會以什么形式出現(xiàn)，賈金鋒團隊的研究人員所能做的只是仔細搜尋拓撲超導體上的所有蛛絲馬跡。雖然他們陸續(xù)找到了一些這種粒子存在的跡象，但一直不能最終確定這些跡象就一定代表馬約拉納費米子的本征特性。2014年底，一篇理論文章預言了馬約拉納費米子的磁學性質，他立刻敏銳地意識到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡來探測馬約拉納費米子?！暗厍蛴心蠘O和北極，同樣，在磁性材料表面的不同位置處也有‘南’與‘北’，這就是材料的磁學性質。自旋極化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個‘原子指南針’，能夠準確地探測一個原子的磁性特征，幫助我們找到隱藏在拓撲超導體渦旋中的的馬約拉納費米子。”

然而，馬約拉納費米子的磁性非常弱，要探測到它需要有更加靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡。目前，上海交通大學研究團隊擁有的儀器還達不到所需要的低溫（40mK，比絕對零度只高0.04K）。怎么辦？他們一方面積極為實驗進行準備，摸索樣品生長條件，準備磁性針尖等。另一方面，他們四處聯(lián)絡，尋找有條件的單位。結果很幸運，在微結構科學與技術2011協(xié)同創(chuàng)新中心內，發(fā)現(xiàn)南京大學剛剛建設一臺40mK的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，可以為該實驗提供了一個充分的實驗條件。隨后，團隊研究人員按照預先設計好的方案，用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在“人造拓撲超導薄膜”表面的渦旋中心進行了仔細測量。2015年底，賈金鋒團隊及其合作者終于直接觀察到了馬約拉納費米子存在的有力證據(jù)?！霸趯嶒炛校覀冇^察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流, 這是馬約拉納費米子存在的確定性證據(jù)。”此后，他們又很快與協(xié)同創(chuàng)新中心的另外一個成員單位浙江大學合作，進行理論計算等。在2016年初，研究團隊發(fā)現(xiàn)理論計算的結果完全支持實驗觀測到的結果。通過反復對比實驗，發(fā)現(xiàn)只有馬約拉納費米子才能產生這種自旋極化電流的現(xiàn)象。至此，馬約拉納費米子的神秘面紗終于被揭開，賈金鋒表示，這是他們的實驗首次觀測到馬約拉納費米子的自旋相關性質, 同時也提供了一種用相互作用調控馬約拉納費米子存在的有效方法，還為觀察神秘的馬約拉納費米子提供了一個直接測量的辦法。

或在拓撲量子計算領域大展身手

找到馬約拉納費米子意味著什么？意味著人類在量子物理學領域取得了一個重大突破，同時也意味著在固體中實現(xiàn)拓撲量子計算成為可能。這個發(fā)現(xiàn)或將引發(fā)新一輪電子技術的革命，使人類進入拓撲量子計算的時代。

與普通計算機通過二進制方式處理數(shù)據(jù)不同，量子計算機是一種基于量子物理機理處理數(shù)據(jù)的計算機。它對數(shù)據(jù)的處理速度驚人，如果把量子計算機比作飛機的話，那么普通計算機只能算是自行車。使用普通計算機需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題，在量子計算機看來是小菜一碟。

以天氣預報為例，由于現(xiàn)有技術的局限，現(xiàn)在人們對天氣的預測不可能達到每次都非常準確。如果使用量子計算機來計算天氣數(shù)據(jù)，不僅能瞬間運算海量數(shù)據(jù)，預測的準確性也會大大提高。當然，精確地預測天氣對于量子計算機來說還不算什么，它能對海量已經合成的新材料，甚至還能對未合成的概念材料進行系統(tǒng)、精確、高效地計算，為材料科學領域帶來革命性的進步。而科學家們預期馬約拉納費米子就是制造量子計算機的完美選擇之一。

據(jù)介紹，迄今還沒有制造出真正意義上的量子計算機，其中一個很重要的原因是，目前用于量子計算的粒子的量子態(tài)并不穩(wěn)定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應進行的計算。而馬約拉納費米子的反粒子就是自己本身，它的狀態(tài)非常穩(wěn)定。這些屬性或許使量子計算機的制造變成現(xiàn)實的一個關鍵，從而幫助人類敲開拓撲量子計算時代的大門。

學界評價：

Physical Review Letters審稿人：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.

中文翻譯：作者報告了在人造拓撲超導體中用自旋極化掃描隧道顯微鏡對馬約拉納費米子進行的探測。他們的實驗結果證明了文獻中理論預言的由馬約拉納費米子引起的自旋選擇性的隧穿?？傊瑢嶒灲Y果是清楚和可信的，提供了一個直接觀測神秘的馬約拉納費米子的實驗方法。

美國科學院院士、MIT講席教授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.

中文翻譯：這個實驗把最高水平的樣品生長和STM測量結合在一起，所有的都在一個真空室中完成，是一個曠世之作。這是第一個研究渦旋中馬約拉納態(tài)自旋相關特性的實驗。實驗數(shù)據(jù)定性地與理論預期符合，這強烈地說明馬約納拉態(tài)的存在。這個工作打開了一個研究馬約拉納物理的新窗口，將一定會帶來更多的理論和實驗進展。

科學突破獎獲得者、拓撲理論新星、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.

中文翻譯：賈金鋒領導的掃描隧道顯微鏡實驗為在拓撲絕緣體-超導體異質結中的馬約拉納費米子提供了令人嘆服的證據(jù)。理論預言馬約拉納費米子作為一種有新的基本特性的粒子會在固體中出現(xiàn)，并可以作為量子計算的基礎。這個實驗除了證明馬約拉納費米子像理論預言的那樣存在，還第一次研究了它不同尋常的自旋特性。更重要的是，他們在非常小的磁場下發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費米子，這說明拓撲絕緣體-超導體異質結是一個非常可靠的材料平臺，并具有可能的器件應用前景，這將毫無疑問地在這個激動人心的領域里激發(fā)更多的工作。

清華大學副校長薛其坤院士：2012年，上海交通大學研究團隊在國際上首先制備出拓撲絕緣體/超導體異質結，這是材料科學的一個突破，也使得他們在這場競賽中占據(jù)了戰(zhàn)略制高點。經過幾年的努力攻關，特別是在去年年底他們與南京大學等單位合作，從實驗上觀察到了由Majorana費米子引起的自旋相關的Andreev反射，確定性地證明了Majorana費米子模的存在。這是該領域的一個突破，是一個里程碑工作。這不僅從實驗上首次證明了馬約拉納粒子模的存在，也使得利用它進行拓撲量子計算成為可能。