科学家首次在超导块体中发现马约拉纳任意子

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2018-08-30

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中国科学家领导的一支研究团队首次在超导块体中观察到了马约拉纳任意子,即马约拉纳零能模,对于未来构建高度稳定的量子计算机具有重要意义。

该研究成果北京时间17日由国际顶级学术期刊《科学》在线发表。 量子计算机将带来颠覆式突破,但传统的量子比特很容易受到外界干扰而发生退相干(量子状态间丧失相互干涉性质),导致计算失败。 马约拉纳任意子可以用来构造拓扑量子比特,解决困扰已久的退相干问题,未来有望构建高稳定、高容错、可拓展的量子计算机。 中科院物理研究所高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队,利用极低温-强磁场-扫描探针显微系统取得这一发现。 该成果具有高纯度、高温度且结构简单等特点,更容易实现对马约拉纳任意子的编织操纵。

进一步实验发现,该马约拉纳任意子在6T以下磁场以及4K以下温度都能稳定存在。 丁洪介绍,这是首次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子,能在相对高的温度下实现,不容易受到其他准粒子干扰。 同时,这预示着在其他的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子,为马约拉纳物理研究开辟新的方向。 斯坦福大学物理系教授张首晟表示,一年前其团队发现的手性马约拉纳费米子,或称天使粒子,实验体系是由常规超导体与量子反常拓扑绝缘体构成的混合器件,现象在超低温的极端条件下才出现。 此次研究的实验体系,许多物理性质优于混合系统,且不需要极端的超低温条件。

这项发现将大大推动马约拉纳物理的研究。 1937年,理论物理学家马约拉纳预言了一种反粒子是其自身的基本粒子,被称为马约拉纳费米子,相关研究一直是物理学最前沿的问题之一。 近年来,理论研究表明在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子,这些准粒子可看作宇宙中真实粒子在固体中的影子,对其研究为人们操控和利用这些独特的物理性质提供了巨大的可能性。

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