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新科院士賈金峰丨連微軟都參與尋找的馬約拉納費米子,被他率先觀測到了

又到了明明每個字都認識,

連起來卻不知道什麼意思的時候。



什麼是“馬約拉納費米子”?

當你在科普中國·科學百科中輸入該詞條,會得到這樣的解釋——

馬約拉納費米子(英語:Majorana fermion)是一種費米子,它的反粒子就是它本身,1937年,埃託雷·馬約拉納發表論文假想這種粒子存在,因此而命名。



在今年的新科院士中,有一位來自交大的老師,帶領實驗團隊,利用巧妙的實驗設計,在經歷無數次的實驗和驗證後,率先觀測到了在超導渦旋中馬約拉納費米子的蹤跡,引起了國內外科研界的轟動。他的名字叫賈金峰。



其實,在過去的近80年裡,物理學家一直致力於找到證明馬約拉納費米子存在的證據,此前美國、荷蘭等國的科學家也曾經聲稱觀測到馬約拉納費米子,但都受到諸多質疑。

那為什麼只有賈金峰的實驗設計

被稱為“曠世之作”?

WHY?

眾所周知,我們的世界是由基本粒子組成的。從古希臘開始,人類在探索微觀世界中,一直希望找到最小的組成單位。當人們從分子找到原子,再發現質子、中子和電子的時候,一度以為已經發現了最小粒子。

· 但是,夸克出現了·

於是大家就開始研究夸克,發現——咦,夸克也分好多種。並且除了夸克外,還有其他的基本粒子。最後就乾脆把粒子世界分成費米子和玻色子兩大家族。



科學家們認為,每一種粒子都有它的反粒子,這些反粒子共同組成了反物質世界,當物質與反物質相遇時會產生巨大的能量而湮滅。



但是,1937年義大利物理學家埃託雷·馬約拉納預言,自然界中可能存在一種與其反粒子完全相同的特殊粒子,也就是馬約拉納費米子。

埃託雷·馬約拉納

獨闢蹊徑找到“它”

WOW!

當世界各國幾十個團隊基於馬約拉納費米子能量為零這一特點希冀找到“它”的時候,賈金峰團隊獨闢蹊徑,不僅研究能量為零這一特殊性質,還將注意力放在了馬約拉納費米子具有自旋特性這一關鍵點上。



理論預言,在拓撲絕緣體上面放置超導材料就能實現拓撲超導,這件事情聽起來容易,但在材料科學領域卻是一大難題。而且,由於在上方的超導材料的覆蓋,馬約拉納費米子很難被探測到。

賈金峰團隊在大量實驗基礎上,把超導材料放在了下面,在它上方“生長”出了拓撲絕緣體薄膜,讓拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體,這樣巧妙的實驗設計為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎。

確定實驗方案後,即面臨著一項棘手的技術難題:馬約拉納費米子的磁性非常弱,想要實現觀測目的需要靈敏度更高、溫度更低的掃描隧道顯微鏡。而上海交大的實驗裝置還達不到如此苛刻的低溫條件(40mK,比絕對零度只高0.04K),但幸運的是,經過他們堅持不懈的四處聯絡,最終在南京大學找到了可以為實驗提供成分條件的40mK掃描隧道顯微鏡系統,賈金鋒團隊運用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在“人造拓撲超導薄膜”表面的渦旋中心進行了仔細測量,併成功觀察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流,這是馬約拉納費米子存在的確定性證據。賈金峰團隊的發現使上海交大在拓撲量子領域躋身世界前列。

馬約拉納費米子能派什麼用場呢?

開啟量子計算新時代。

馬約拉納費米子因其非常理想的穩定性成為未來製造量子計算機的完美候選物件,人類有可能透過這一發現而實現拓撲量子計算,引發新一輪的電子技術革命。要知道對於目前超級計算機需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題,在量子計算機上不過是小菜一碟。也就是說現在被數學計算困住的問題將不再是問題。

分類: 數碼
時間: 2021-12-14

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