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又到了明明每个字都认识,连起来却不知道什么意思的时候。什么是“马约拉纳费米子”?当你在科普中国·科学百科中输入该词条,会得到这样的解释——马约拉纳费米子(英语:Majorana fermion)是一种费米子,它的反粒子就是它本身,1937年,埃托雷·马约拉纳发表论文假想这种粒子存在,因此而命名。
贾金峰院士带领实验团队,利用巧妙的实验设计,在经历无数次的实验和验证后,率先观测到了在超导涡旋中马约拉纳费米子的踪迹,引起了国内外科研界的轰动。
其实,在过去的近80年里,物理学家一直致力于找到证明马约拉纳费米子存在的证据,此前美国、荷兰等国的科学家也曾经声称观测到马约拉纳费米子,但都受到诸多质疑。那为什么只有贾金峰的实验设计被称为“旷世之作”?众所周知,我们的世界是由基本粒子组成的。从古希腊开始,人类在探索微观世界中,一直希望找到最小的组成单位。当人们从分子找到原子,再发现质子、中子和电子的时候,一度以为已经发现了最小粒子。但是,夸克出现了·,于是大家就开始研究夸克,发现——咦,夸克也分好多种。并且除了夸克外,还有其他的基本粒子。最后就干脆把粒子世界分成费米子和玻色子两大家族。科学家们认为,每一种粒子都有它的反粒子,这些反粒子共同组成了反物质世界,当物质与反物质相遇时会产生巨大的能量而湮灭。但是,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种与其反粒子完全相同的特殊粒子,也就是马约拉纳费米子。
当世界各国几十个团队基于马约拉纳费米子能量为零这一特点希冀找到“它”的时候,贾金峰团队独辟蹊径,不仅研究能量为零这一特殊性质,还将注意力放在了马约拉纳费米子具有自旋特性这一关键点上。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,但在材料科学领域却是一大难题。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。贾金峰团队在大量实验基础上,把超导材料放在了下面,在它上方“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,这样巧妙的实验设计为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。确定实验方案后,即面临着一项棘手的技术难题:马约拉纳费米子的磁性非常弱,想要实现观测目的需要灵敏度更高、温度更低的扫描隧道显微镜。而上海交大的实验设备还达不到如此苛刻的低温条件(40mK,比绝对零度只高0.04K),但幸运的是,经过他们坚持不懈的四处联络,最终在南京大学找到了可以为实验提供成分条件的40mK扫描隧道显微镜系统,贾金锋团队运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,并成功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。贾金峰团队的发现使上海交大在拓扑量子领域跻身世界前列。
马约拉纳费米子能派什么用场呢?开启量子计算新时代。马约拉纳费米子因其非常理想的稳定性成为未来制造量子计算机的完美候选对象,人类有可能通过这一发现而实现拓扑量子计算,引发新一轮的电子技术革命。要知道对于目前超级计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题,在量子计算机上不过是小菜一碟。也就是说现在被数学计算困住的问题将不再是问题。