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科學家發現鐵基超導材料中存在馬約拉納準粒子，助力量子計算進一步發展

文章來源：賢集網更新時間：2022-06-09 14:14:47

當目前的量子計算在努力突破容錯性、退相干等發展瓶頸時，物理學家向更可靠、更穩定的未來量子技術——拓撲量子計算的實現，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的聯合團隊在鐵基超導材料鋰鐵砷中觀測到大面積、高度有序和可調控的馬約拉納準粒子格點陣列，向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步。北京時間6月8日深夜，這一研究成果在《自然》雜志上發表。
“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”這是古人對世界的認知和理解，表達了萬物由簡而繁的構造過程。
對物理學家而言，世間萬事萬物都是可以拆分的：一杯水，可以拆分為很多的水滴；一個水滴，可以拆分為很多的水分子；一個水分子，可以拆分為兩個氫原子和一個氧原子；一個原子，可以進一步拆分為電子、夸克等微觀粒子。
拆分到最后，物理學家們發現所謂的“萬物”，其實都是由60多種基本粒子構成的。對這60多種基本粒子及其性質的探索發現，便是物理學家所追求的“道”。

1 反粒子就是自身可編織未來量子技術 " 基石 "

馬約拉納費米子是一種神奇的基本粒子，不同于一般費米子，它的反粒子是它自身。1937 年，意大利物理學家埃托雷 ? 馬約拉納理論預言了它的存在。

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，但凝聚態物理領域專家認為，在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的粒子—— " 馬約拉納準粒子 " 或 " 馬約拉納零能模 "。

" 四個馬約拉納零能模就可編織成一個拓撲量子比特，所以這種準粒子的編織操作被認為是實現容錯拓撲量子計算的重要途徑。" 論文通訊作者高鴻鈞研究員介紹，馬約拉納零能模的統計規律既不像玻色子，也不像費米子，而是服從一種獨特的非阿貝爾統計規律。

目前，全球競爭趨于白熱化的量子計算機，面臨的主要挑戰在于量子態很容易受環境的干擾，產生退相干現象，這使得計算過程中會不斷產生錯誤。" 現在的量子計算為了糾錯，需要占用大量的量子比特。" 汪自強說。

而由馬約拉納零能模組成的非局域拓撲量子比特，可以從原理上解決量子計算無法避免的量子退相干問題，因此受到研究人員的廣泛關注——這或將是一條路徑，可以發展出更可靠、更穩定的未來量子計算技術。

2 五年艱辛探索尋覓馬約拉納零能模載體

那么，在怎樣的固體材料中，才能找到更多的馬約拉納準粒子？

過去，物理學家找到的一些載體，比如常規超導體近鄰下的半導體納米線、常規超導體表面的磁性原子鏈，以及超導體 - 拓撲絕緣體界面等材料體系，往往存在制備困難、對極低溫的要求較苛刻等問題。

為解決這個難題，高鴻鈞帶領團隊進行了長達五年的艱辛探索。

2018 年，高鴻鈞團隊與丁洪研究團隊合作，首次在鐵基超導材料中觀測到馬約拉納零能模。與之前的材料體系相比，鐵基超導體具有材料簡單和觀測溫度高等優勢，并且可以觀測到純凈的馬約拉納零能模。

隨后，他們針對馬約拉納零能模只在部分磁通渦旋中存在這一問題，對鐵基超導中的馬約拉納零能模進一步研究，澄清了馬約拉納零能模的拓撲本質。

2020 年，他們進一步觀測到了馬約拉納零能模的近量子化電導平臺特征，給出了鐵基超導體中存在馬約拉納零能模的關鍵性實驗證據。與此同時，他們還在鐵磷基超導體中觀測到了馬約拉納零能模，極大地擴展了馬約拉納零能模載體平臺。

3 最新研究進展有望構建拓撲量子比特

然而，這些鐵基超導材料體系仍存在不少缺陷，無法成為操控馬約拉納零能模的理想載體。如何突破瓶頸，就成了當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。

最近，高鴻鈞研究團隊在對鐵基超導體鋰鐵砷的研究中發現，應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模陣列。

最近的本次研究中，合作團隊對鐵基超導體鋰鐵砷進行細致而深入的研究，他們利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平臺和豐富的研究經驗在實驗上發現，應力可以誘導出大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列。

這次研究重大發現的內容主要包括四個方面：

一是晶體中的自然應力可誘導產生雙軸電荷密度波條紋，沿著鐵-鐵和砷-砷晶格方向，其波長分別為2.7納米和24.3納米。

二是波長為24.3納米的電荷密度波對超導能隙具有明顯的調制作用，當施加垂直于樣品表面的磁場后，形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導序較弱的砷-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稱性降低，從而改變了費米能級附近的拓撲能帶結構，使得超過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調控，隨著磁場增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯。

高鴻鈞總結表示，馬約拉納零能模的陣列和相互作用可以被外磁場很好的調控，在固體材料中的馬約拉納零能模編織操作可用于拓撲量子計算。他們的研究發現對于實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算具有里程碑意義，向拓撲量子計算的實現邁出了重要一步。

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