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华体会平台官网电话:马约拉纳零能模这项新发现 向拓扑量子计算迈出重要一步

2022-06-09 17:28:01 |来源:hth华体会最新网站 作者:hth华体会网页版

  中新网北京6月9日电 (记者 孙自法)中国科学院物理研究所(中科院物理所)高鸿钧院士领导的联合团队,最新在铁基超导材料锂铁砷中观测到大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列,向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。

  这一在马约拉纳零能模研究领域取得里程碑突破的科研成果论文,由中科院物理所高鸿钧研究组与靳常青研究组、美国波士顿学院教授汪自强合作完成,北京时间6月8日夜间在国际著名学术期刊《自然》上线发表。

  高鸿钧表示,他们最新研究的重要意义在于首次实现大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列,并观测到调控引起的马约拉纳零能模相互作用,为下一步实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算奠定了坚实的基础。

  “道生一,一生二,二生三,三生万物”,这是中国古人对世界的认知和理解,表达万物由简而繁的构造过程。对物理学家而言,世间万事万物都可以拆分,拆分到最后,物理学家们发现所谓的“万物”,其实都是由60多种基本粒子构成,对这60多种基本粒子及其性质的探索发现,便是物理学家所追求的“道”。

  高鸿钧科普说,这些基本粒子按照统计规律的不同可以划分为玻色子和费米子两大类。对于费米子而言,大多数费米子的反粒子与它本身不同,这类费米子被称为“狄拉克费米子”。还有另一种神奇的基本粒子,它的反粒子是它本身,这种基本粒子称为“马约拉纳费米子”,由意大利物理学家埃托雷·马约拉纳1937年理论预言提出,但学界迄今未找到该粒子存在的确切证据。

  在物理学另一大分支的凝聚态物理领域,理论学家预言,在固体材料中可能会出现与马约拉纳费米子类似的粒子,这种粒子被称为“马约拉纳准粒子”或“马约拉纳零能模”。马约拉纳零能模的统计规律既不像玻色子,也不像费米子,而是表现为一种独特的非阿贝尔统计规律,这种准粒子的编织操作被认为是实现容错拓扑量子计算的重要途径。

  量子计算机遵循量子力学规律,因其处理复杂问题时相比传统计算机有着巨大的优越性而被公众所熟知。量子计算的主要挑战在于量子态很容易受环境的干扰,产生退相干现象,使得计算过程中会不断地产生错误。而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特可以从原理上解决量子计算无法避免的量子退相干问题,因此引起学界广泛关注。

  论文共同第一作者、中科院物理所副研究员李更介绍说,在早期马约拉纳零能模载体材料中,比较有代表性的材料体系包括常规超导体近邻下的半导体纳米线、常规超导体表面的磁性原子链,以及超导体-拓扑绝缘体界面等。这样一些材料体系往往存在制备困难、对极低温的要求较苛刻等问题。

  2018年,高鸿钧团队与丁洪团队合作,利用其自主设计组装的国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统,首次在铁基超导材料铁碲硒中观测到马约拉纳零能模。与之前的材料体系相比,铁基超导体具有材料简单和观测温度高等优势,并且可以观测到纯净的马约拉纳零能模。

  随后,合作团队针对马约拉纳零能模只在部分磁通涡旋中存在这一问题,对铁基超导中的马约拉纳零能模进一步研究,发现马约拉纳零能模存在的微观物理机制,澄清了马约拉纳零能模的拓扑本质。

  通过进一步研究,研究团队2020年观测到马约拉纳零能模的近量子化电导平台特征,给出铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性实验证据。同时,他们还在铁磷基超导体的磁通涡旋中以及单个铁原子上观测到马约拉纳零能模,极大扩展了马约拉纳零能模载体平台。

  不过,这些铁基超导材料体系,还是存在着组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低等问题,阻碍了其进一步的研究和应用。

  李更指出,如何突破当前研究瓶颈,获得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列,向拓扑量子计算更进一步,是当前铁基超导马约拉纳领域亟待解决的问题之一。

  最近的本次研究中,合作团队对铁基超导体锂铁砷进行细致而深入的研究,他们利用多年积累的强大的扫描隧道显微镜研究平台和丰富的研究经验在实验上发现,应力可以诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。

  一是晶体中的自然应力可诱导产生双轴电荷密度波条纹,沿着铁-铁和砷-砷晶格方向,其波长分别为2.7纳米和24.3纳米。

  二是波长为24.3纳米的电荷密度波对超导能隙具有明显的调制作用,当施加垂直于样品表面的磁场后,形成的磁通涡旋全部被钉扎在超导序较弱的砷-砷方向电荷密度波条纹上,形成有序的涡旋阵列。

  三是双轴电荷密度波的存在使得晶体对称性降低,从而改变了费米能级附近的拓扑能带结构,使得超过90%的磁通涡旋中心具有马约拉纳零能模,形成高度有序的马约拉纳零能模阵列。

  四是这种有序的马约拉纳零能模阵列可被外磁场调控,随着磁场增加,涡旋间距减小,马约拉纳零能模间的相互作用开始凸显。

  高鸿钧总结表示,马约拉纳零能模的阵列和相互作用可以被外磁场很好的调控,在固体材料中的马约拉纳零能模编织操作可用于拓扑量子计算。他们的研究发现对于实现马约拉纳零能模的编织以及拓扑量子计算具有里程碑意义,向拓扑量子计算的实现迈出了重要一步。(完)