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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料中存在馬約拉納準(zhǔn)粒子，助力量子計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2022-06-09 14:14:47
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當(dāng)目前的量子計(jì)算在努力突破容錯(cuò)性、退相干等發(fā)展瓶頸時(shí)，物理學(xué)家向更可靠、更穩(wěn)定的未來(lái)量子技術(shù)——拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)，邁出了重要一步。 記者從中科院物理所了解到，該所高鴻鈞院士帶領(lǐng)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵砷中觀測(cè)到大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子格點(diǎn)陣列，向拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)邁出了重要一步。北京時(shí)間6月8日深夜，這一研究成果在《自然》雜志上發(fā)表。 “道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物。”這是古人對(duì)世界的認(rèn)知和理解，表達(dá)了萬(wàn)物由簡(jiǎn)而繁的構(gòu)造過(guò)程。 對(duì)物理學(xué)家而言，世間萬(wàn)事萬(wàn)物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分為很多的水滴；一個(gè)水滴，可以拆分為很多的水分子；一個(gè)水分子，可以拆分為兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子；一個(gè)原子，可以進(jìn)一步拆分為電子、夸克等微觀粒子。 拆分到最后，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)所謂的“萬(wàn)物”，其實(shí)都是由60多種基本粒子構(gòu)成的。對(duì)這60多種基本粒子及其性質(zhì)的探索發(fā)現(xiàn)，便是物理學(xué)家所追求的“道”。 1 反粒子就是自身 可編織未來(lái)量子技術(shù) " 基石 " 馬約拉納費(fèi)米子是一種神奇的基本粒子，不同于一般費(fèi)米子，它的反粒子是它自身。1937 年，意大利物理學(xué)家埃托雷 ? 馬約拉納理論預(yù)言了它的存在。 在此后 80 多年里，雖然在廣袤宇宙中找不到其存在的確切證據(jù)，但凝聚態(tài)物理領(lǐng)域?qū)＜艺J(rèn)為，在固體材料中可能會(huì)出現(xiàn)與馬約拉納費(fèi)米子類似的粒子—— " 馬約拉納準(zhǔn)粒子 " 或 " 馬約拉納零能模 "。 " 四個(gè)馬約拉納零能模就可編織成一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍兀赃@種準(zhǔn)粒子的編織操作被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的重要途徑。" 論文通訊作者高鴻鈞研究員介紹，馬約拉納零能模的統(tǒng)計(jì)規(guī)律既不像玻色子，也不像費(fèi)米子，而是服從一種獨(dú)特的非阿貝爾統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 目前，全球競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化的量子計(jì)算機(jī)，面臨的主要挑戰(zhàn)在于量子態(tài)很容易受環(huán)境的干擾，產(chǎn)生退相干現(xiàn)象，這使得計(jì)算過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生錯(cuò)誤。" 現(xiàn)在的量子計(jì)算為了糾錯(cuò)，需要占用大量的量子比特。" 汪自強(qiáng)說(shuō)。 而由馬約拉納零能模組成的非局域拓?fù)淞孔颖忍兀梢詮脑砩辖鉀Q量子計(jì)算無(wú)法避免的量子退相干問(wèn)題，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注——這或?qū)⑹且粭l路徑，可以發(fā)展出更可靠、更穩(wěn)定的未來(lái)量子計(jì)算技術(shù)。 2 五年艱辛探索 尋覓?cǎi)R約拉納零能模載體 那么，在怎樣的固體材料中，才能找到更多的馬約拉納準(zhǔn)粒子？ 過(guò)去，物理學(xué)家找到的一些載體，比如常規(guī)超導(dǎo)體近鄰下的半導(dǎo)體納米線、常規(guī)超導(dǎo)體表面的磁性原子鏈，以及超導(dǎo)體 - 拓?fù)浣^緣體界面等材料體系，往往存在制備困難、對(duì)極低溫的要求較苛刻等問(wèn)題。 為解決這個(gè)難題，高鴻鈞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)五年的艱辛探索。 2018 年，高鴻鈞團(tuán)隊(duì)與丁洪研究團(tuán)隊(duì)合作，首次在鐵基超導(dǎo)材料中觀測(cè)到馬約拉納零能模。與之前的材料體系相比，鐵基超導(dǎo)體具有材料簡(jiǎn)單和觀測(cè)溫度高等優(yōu)勢(shì)，并且可以觀測(cè)到純凈的馬約拉納零能模。 隨后，他們針對(duì)馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問(wèn)題，對(duì)鐵基超導(dǎo)中的馬約拉納零能模進(jìn)一步研究，澄清了馬約拉納零能模的拓?fù)浔举|(zhì)。 2020 年，他們進(jìn)一步觀測(cè)到了馬約拉納零能模的近量子化電導(dǎo)平臺(tái)特征，給出了鐵基超導(dǎo)體中存在馬約拉納零能模的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)證據(jù)。與此同時(shí)，他們還在鐵磷基超導(dǎo)體中觀測(cè)到了馬約拉納零能模，極大地?cái)U(kuò)展了馬約拉納零能模載體平臺(tái)。 3 最新研究進(jìn)展 有望構(gòu)建拓?fù)淞孔颖忍?/span> 然而，這些鐵基超導(dǎo)材料體系仍存在不少缺陷，無(wú)法成為操控馬約拉納零能模的理想載體。如何突破瓶頸，就成了當(dāng)前鐵基超導(dǎo)馬約拉納領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。 最近，高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)鐵基超導(dǎo)體鋰鐵砷的研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力可以誘導(dǎo)出大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列。 最近的本次研究中，合作團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵基超導(dǎo)體鋰鐵砷進(jìn)行細(xì)致而深入的研究，他們利用多年積累的強(qiáng)大的掃描隧道顯微鏡研究平臺(tái)和豐富的研究經(jīng)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力可以誘導(dǎo)出大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列。 這次研究重大發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容主要包括四個(gè)方面： 一是晶體中的自然應(yīng)力可誘導(dǎo)產(chǎn)生雙軸電荷密度波條紋，沿著鐵-鐵和砷-砷晶格方向，其波長(zhǎng)分別為2.7納米和24.3納米。 二是波長(zhǎng)為24.3納米的電荷密度波對(duì)超導(dǎo)能隙具有明顯的調(diào)制作用，當(dāng)施加垂直于樣品表面的磁場(chǎng)后，形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導(dǎo)序較弱的砷-砷方向電荷密度波條紋上，形成有序的渦旋陣列。 三是雙軸電荷密度波的存在使得晶體對(duì)稱性降低，從而改變了費(fèi)米能級(jí)附近的拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)，使得超過(guò)90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模，形成高度有序的馬約拉納零能模陣列。 四是這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場(chǎng)調(diào)控，隨著磁場(chǎng)增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模間的相互作用開(kāi)始凸顯。 高鴻鈞總結(jié)表示，馬約拉納零能模的陣列和相互作用可以被外磁場(chǎng)很好的調(diào)控，在固體材料中的馬約拉納零能模編織操作可用于拓?fù)淞孔佑?jì)算。他們的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模的編織以及拓?fù)淞孔佑?jì)算具有里程碑意義，向拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)邁出了重要一步。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_511104.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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