【視頻】上海交大制成“神奇”薄膜 年內(nèi)或找到“馬約拉納費(fèi)米子”

近日，上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里成功捕捉到了一種物理學(xué)家尋找多年的神秘粒子——馬約拉納費(fèi)米子。這種粒子既是困擾物理學(xué)界80多年的正反粒子同體的特殊費(fèi)米子，也是未來制造量子計(jì)算機(jī)的可能候選對(duì)象。美國東部時(shí)間6月21日（北京時(shí)間6月22日），國際頂級(jí)物理學(xué)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，賈金鋒研究團(tuán)隊(duì)率先觀測(cè)到了在渦旋中的馬約拉納費(fèi)米子的蹤跡。在過去的80年里，粒子物理學(xué)家一直在搜尋馬約拉納費(fèi)米子，這次中國科學(xué)家成功“探測(cè)”到了它的蹤跡，也許離人類跨入量子計(jì)算時(shí)代的夢(mèng)想會(huì)邁進(jìn)一大步。

揭開困擾物理學(xué)界80年的神秘粒子“面紗”

在物理學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家把構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位叫做“基本粒子”，它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是構(gòu)成各種各樣物質(zhì)的原材料。

在粒子世界里，住著兩大家族：費(fèi)米子家族（如電子、質(zhì)子）和玻色子家族（如光子、介子），它們分別以物理學(xué)家費(fèi)米和玻色的名字命名。一般認(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，費(fèi)米子和它的反粒子就像一對(duì)長(zhǎng)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(chǎn)生的能量甚至?xí)屗鼈兯查g湮滅。

然而在1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷?馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費(fèi)米子，這種費(fèi)米子的反粒子不但和它自己長(zhǎng)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(fèi)米子被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型里的中微子是一種可能的馬約拉納費(fèi)米子。但是，令科學(xué)家十分頭疼的是，要證明這一點(diǎn)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(xué)家做了很多努力，但在過去的近80年中，物理學(xué)家一直都未找到馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)。

2016年初，中國的科學(xué)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(xué)大賈金鋒教授研究組與浙江大學(xué)許祝安、張富春研究組，南京大學(xué)李紹春研究組及美國麻省理工學(xué)院傅亮教授等合作形成的研究團(tuán)隊(duì)，率先觀測(cè)到了在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費(fèi)米子的重要證據(jù)。

“事實(shí)上，我們所發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子并不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上的粒子，而是一種準(zhǔn)粒子，但它同樣符合馬約拉納的預(yù)言。準(zhǔn)粒子是凝聚態(tài)物理中一個(gè)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(gè)粒子的行為（即準(zhǔn)粒子）。這樣可以大大簡(jiǎn)化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象的物理機(jī)理?！?賈金鋒介紹說，粒子和準(zhǔn)粒子的關(guān)系就像球員和球隊(duì)的關(guān)系：一支足球隊(duì)中每個(gè)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(fù)雜的相互作用，雖然每個(gè)球員都有自己的特色，但整體上球隊(duì)卻會(huì)表現(xiàn)出來一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)格。例如西班牙國家隊(duì)可以用傳控足球風(fēng)格來描述，意大利國家隊(duì)則是體現(xiàn)了一種防守反擊戰(zhàn)術(shù)。我們可能不了解隊(duì)中每個(gè)球員的特點(diǎn)以及球員之間的配合情況，但是他們整支球隊(duì)卻像一個(gè)準(zhǔn)粒子一樣可以比較簡(jiǎn)單地被認(rèn)識(shí)。

也有科學(xué)家一直認(rèn)為，至今還沒有被直接觀測(cè)到的中性超對(duì)稱費(fèi)米子很可能組成了宇宙中大多數(shù)甚至全部的暗物質(zhì)，而這種中性超對(duì)稱費(fèi)米子可能就是一種馬約拉納費(fèi)米子。因此，觀測(cè)到復(fù)合的馬約拉納費(fèi)米子，對(duì)于揭開暗物質(zhì)的謎團(tuán)也許又進(jìn)了一步。

“原子指南針”探測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子存在的關(guān)鍵證據(jù)

近80年來，各國科學(xué)家從來沒有停止對(duì)馬約拉納費(fèi)米子的尋找，幾年前理論物理學(xué)家預(yù)言，馬約拉納費(fèi)米子很有可能在拓?fù)涑瑢?dǎo)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?fù)涑瑢?dǎo)體，那么賈金鋒團(tuán)隊(duì)又是怎樣使馬約拉納費(fèi)米子“露面”的呢？

“尋找馬約拉納費(fèi)米子的過程就是不斷突破、不斷創(chuàng)新的過程。理論預(yù)言，在拓?fù)浣^緣體上面放置超導(dǎo)材料就能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)。這件事情聽起來容易，但卻在材料科學(xué)領(lǐng)域是一大難題。而且，由于在上方的超導(dǎo)材料的覆蓋，馬約拉納費(fèi)米子很難被探測(cè)到。”賈金鋒說，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(dǎo)材料放在了下面，使它上方“生長(zhǎng)”出了拓?fù)浣^緣體薄膜，讓拓?fù)浣^緣體薄膜的表面變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費(fèi)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(fèi)米子奠定了重要的材料基礎(chǔ)。

在馬約拉納費(fèi)米子研究的最初階段，沒人知道這種神秘的粒子會(huì)以什么形式出現(xiàn)，賈金鋒團(tuán)隊(duì)的研究人員所能做的只是仔細(xì)搜尋拓?fù)涑瑢?dǎo)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(fèi)米子的本征特性。2014年底，一篇理論文章預(yù)言了馬約拉納費(fèi)米子的磁學(xué)性質(zhì)，他立刻敏銳地意識(shí)到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡來探測(cè)馬約拉納費(fèi)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(xué)性質(zhì)。自旋極化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個(gè)‘原子指南針’，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)一個(gè)原子的磁性特征，幫助我們找到隱藏在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中的的馬約拉納費(fèi)米子?！?/p>

然而，馬約拉納費(fèi)米子的磁性非常弱，要探測(cè)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)擁有的儀器還達(dá)不到所需要的低溫（40mK，比絕對(duì)零度只高0.04K）。怎么辦？他們一方面積極為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)備，摸索樣品生長(zhǎng)條件，準(zhǔn)備磁性針尖等。另一方面，他們四處聯(lián)絡(luò)，尋找有條件的單位。結(jié)果很幸運(yùn)，在微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)2011協(xié)同創(chuàng)新中心內(nèi)，發(fā)現(xiàn)南京大學(xué)剛剛建設(shè)一臺(tái)40mK的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，可以為該實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)充分的實(shí)驗(yàn)條件。隨后，團(tuán)隊(duì)研究人員按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案，用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在“人造拓?fù)涑瑢?dǎo)薄膜”表面的渦旋中心進(jìn)行了仔細(xì)測(cè)量。2015年底，賈金鋒團(tuán)隊(duì)及其合作者終于直接觀察到了馬約拉納費(fèi)米子存在的有力證據(jù)?！霸趯?shí)驗(yàn)中，我們觀察到了由馬約拉納費(fèi)米子所引起的特有自旋極化電流, 這是馬約拉納費(fèi)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(gè)成員單位浙江大學(xué)合作，進(jìn)行理論計(jì)算等。在2016年初，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算的結(jié)果完全支持實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果。通過反復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有馬約拉納費(fèi)米子才能產(chǎn)生這種自旋極化電流的現(xiàn)象。至此，馬約拉納費(fèi)米子的神秘面紗終于被揭開，賈金鋒表示，這是他們的實(shí)驗(yàn)首次觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的自旋相關(guān)性質(zhì), 同時(shí)也提供了一種用相互作用調(diào)控馬約拉納費(fèi)米子存在的有效方法，還為觀察神秘的馬約拉納費(fèi)米子提供了一個(gè)直接測(cè)量的辦法。

或在拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域大展身手

找到馬約拉納費(fèi)米子意味著什么？意味著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了一個(gè)重大突破，同時(shí)也意味著在固體中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算成為可能。這個(gè)發(fā)現(xiàn)或?qū)⒁l(fā)新一輪電子技術(shù)的革命，使人類進(jìn)入拓?fù)淞孔佑?jì)算的時(shí)代。

與普通計(jì)算機(jī)通過二進(jìn)制方式處理數(shù)據(jù)不同，量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子物理機(jī)理處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。它對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度驚人，如果把量子計(jì)算機(jī)比作飛機(jī)的話，那么普通計(jì)算機(jī)只能算是自行車。使用普通計(jì)算機(jī)需要耗費(fèi)巨大計(jì)算資源才能勉強(qiáng)處理的問題，在量子計(jì)算機(jī)看來是小菜一碟。

以天氣預(yù)報(bào)為例，由于現(xiàn)有技術(shù)的局限，現(xiàn)在人們對(duì)天氣的預(yù)測(cè)不可能達(dá)到每次都非常準(zhǔn)確。如果使用量子計(jì)算機(jī)來計(jì)算天氣數(shù)據(jù)，不僅能瞬間運(yùn)算海量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也會(huì)大大提高。當(dāng)然，精確地預(yù)測(cè)天氣對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說還不算什么，它能對(duì)海量已經(jīng)合成的新材料，甚至還能對(duì)未合成的概念材料進(jìn)行系統(tǒng)、精確、高效地計(jì)算，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的進(jìn)步。而科學(xué)家們預(yù)期馬約拉納費(fèi)米子就是制造量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，其中一個(gè)很重要的原因是，目前用于量子計(jì)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(yīng)進(jìn)行的計(jì)算。而馬約拉納費(fèi)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(jì)算機(jī)的制造變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)關(guān)鍵，從而幫助人類敲開拓?fù)淞孔佑?jì)算時(shí)代的大門。

學(xué)界評(píng)價(jià)：

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(bào)告了在人造拓?fù)涑瑢?dǎo)體中用自旋極化掃描隧道顯微鏡對(duì)馬約拉納費(fèi)米子進(jìn)行的探測(cè)。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了文獻(xiàn)中理論預(yù)言的由馬約拉納費(fèi)米子引起的自旋選擇性的隧穿?？傊瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果是清楚和可信的，提供了一個(gè)直接觀測(cè)神秘的馬約拉納費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)方法。

美國科學(xué)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(gè)實(shí)驗(yàn)把最高水平的樣品生長(zhǎng)和STM測(cè)量結(jié)合在一起，所有的都在一個(gè)真空室中完成，是一個(gè)曠世之作。這是第一個(gè)研究渦旋中馬約拉納態(tài)自旋相關(guān)特性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性地與理論預(yù)期符合，這強(qiáng)烈地說明馬約納拉態(tài)的存在。這個(gè)工作打開了一個(gè)研究馬約拉納物理的新窗口，將一定會(huì)帶來更多的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

科學(xué)突破獎(jiǎng)獲得者、拓?fù)淅碚撔滦恰IT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(lǐng)導(dǎo)的掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)為在拓?fù)浣^緣體-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的馬約拉納費(fèi)米子提供了令人嘆服的證據(jù)。理論預(yù)言馬約拉納費(fèi)米子作為一種有新的基本特性的粒子會(huì)在固體中出現(xiàn)，并可以作為量子計(jì)算的基礎(chǔ)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)除了證明馬約拉納費(fèi)米子像理論預(yù)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?cè)诜浅Ｐ〉拇艌?chǎng)下發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子，這說明拓?fù)浣^緣體-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是一個(gè)非?？煽康牟牧掀脚_(tái)，并具有可能的器件應(yīng)用前景，這將毫無疑問地在這個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域里激發(fā)更多的工作。

清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤院士：2012年，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在國際上首先制備出拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，這是材料科學(xué)的一個(gè)突破，也使得他們?cè)谶@場(chǎng)競(jìng)賽中占據(jù)了戰(zhàn)略制高點(diǎn)。經(jīng)過幾年的努力攻關(guān)，特別是在去年年底他們與南京大學(xué)等單位合作，從實(shí)驗(yàn)上觀察到了由Majorana費(fèi)米子引起的自旋相關(guān)的Andreev反射，確定性地證明了Majorana費(fèi)米子模的存在。這是該領(lǐng)域的一個(gè)突破，是一個(gè)里程碑工作。這不僅從實(shí)驗(yàn)上首次證明了馬約拉納粒子模的存在，也使得利用它進(jìn)行拓?fù)淞孔佑?jì)算成為可能。