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我国科学家在铁基超导范畴取得重大进展助力量子核算技术进一步开展

发布时间:2022-08-10 02:13:08 来源:fun88乐天使堂备用 

  我国科学院物理研讨所高鸿钧研讨员带领的联合团队在铁基超导资料锂铁砷中初次完成了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列,这一发现向着完成拓扑量子核算迈进了一步。该成果于6月8日在《天然》上刊发。

  世界中存在一种奇特的基本粒子,它的反粒子是它自身,这种粒子被称为马约拉纳费米子。在固体资猜中或许呈现的与其相似的粒子,被称为马约拉纳零能模,其织造操作可用于拓扑量子核算。

  我国科学院物理研讨所高鸿钧研讨员带领的联合团队,在铁基超导资料锂铁砷中初次完成了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列,并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用,向拓扑量子核算的完成迈出了重要一步。该成果于北京时间6月8日在世界学术期刊《天然》上刊发。

  “道生一,终身二,二生三,三生万物”,这是古人对世界的认知和了解,表达了万物由简而繁的结构进程。对物理学家而言,万物都是能够拆分的:一杯水,能够拆分为许多水滴;一个水滴,能够拆分为许多水分子;一个水分子,能够拆分为两个氢原子和一个氧原子;一个原子,能够进一步拆分为电子、夸克等微观粒子。拆分到最后,物理学家们发现所谓的“万物”,其实都是由60多种基本粒子构成的。对这60多种基本粒子及其性质的探究发现,是粒子物理学家的研讨方针。

  这些基本粒子依照核算规则的不同能够划分为玻色子和费米子两大类,例如人们所熟知的光子归于玻色子,电子归于费米子。关于费米子而言,大多数费米子的反粒子与它自身不同,例如电子的反粒子是正电子,带有一个单位的正电荷。这类费米子被称为“狄拉克费米子”,以物理学家保罗狄拉克命名。

  世界中还有另一种奇特的基本粒子,它的反粒子是它自身。这种基本粒子叫做“马约拉纳费米子”,是由物理学家埃托雷马约拉纳在1937年理论预言的。但是在其预言后的80多年时间里,粒子物理学家们一直未能在广袤世界中找到该粒子存在的切当依据。

  在物理学的另一大分支凝聚态物理范畴,理论学家预言,在固体资猜中或许会呈现与马约拉纳费米子相似的粒子,这种粒子被称为马约拉纳准粒子,或是马约拉纳零能模。

  中科院物理所副研讨员李更说:“马约拉纳零能模的核算规则既不像玻色子,也不像费米子,而是表现为一种共同的非阿贝尔核算规则。这种准粒子的织造操作被认为是完成容错拓扑量子核算的重要途径。”

  量子核算机遵从量子力学规则,因其处理复杂问题时比较传统核算机有着巨大的优越性而被大众所熟知。现在,世界上许多国家的政府和科技巨子企业均投入了巨大精力开展量子核算。量子核算的首要应战在于量子态很简略受环境的搅扰,发生退相干现象,使得核算进程中会不断地发生过错,影响核算结果的准确性。而由马约拉纳零能模组成的非局域拓扑量子比特,能够从原理上处理量子退相干问题,引起了研讨人员的广泛重视。

  在前期观测马约拉纳准粒子载体资猜中,比较有代表性的资料系统包含惯例超导体近邻下的半导体纳米线、惯例超导体表面的磁性原子链,以及超导体拓扑绝缘体界面等。这些资料往往存在制备困难、对极低温的要求较严苛等问题。

  2018年,高鸿钧研讨团队与丁洪研讨团队协作,运用其自主规划拼装的世界顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统,准确测量了铁基超导体铁碲硒单晶样品的超导涡旋,初次在铁基超导体中观测到马约拉纳零能模。

  高鸿钧说:“与之前的资料系统比较,铁基超导体具有资料简略和观测温度高级优势,而且能够观测到纯洁的马约拉纳零能模。”

  随后几年里,研讨团队对铁基超导体中的马约拉纳零能模做了一系列进一步研讨,澄清了马约拉纳零能模的拓扑实质;观测到了马约拉纳零能模的近量子化电导忍气吞声特征,给出了铁基超导体中存在马约拉纳零能模的关键性试验依据;在铁磷基超导体上观测到了马约拉纳零能模,极大地扩展了马约拉纳零能模载体忍气吞声。

  但是,这些铁基超导资料系统仍是存在着资料组分不均一、磁通涡旋阵列无序且不可控以及马约拉纳零能模占比低一级问题,阻止了其进一步的研讨和运用。怎么打破当时研讨瓶颈,取得大面积、高度有序且可调控的马约拉纳零能模阵列,向拓扑量子核算更进一步,是当时铁基超导马约拉纳范畴亟待处理的问题之一。

  此次高鸿钧研讨团队对铁基超导体锂铁砷进行了详尽而深化的研讨。运用多年堆集的强壮的扫描隧道显微镜研讨忍气吞声和丰厚的研讨经历,团队在试验中发现,应力能够诱导出大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列。

  高鸿钧说:“咱们这项研讨重要意义在于初次完成了大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模阵列,并观测到了调控引起的马约拉纳零能模相互作用,为下一步完成马约拉纳零能模的织造以及拓扑量子核算奠定了坚实的根底。”

  谈及下一步的研讨方案,高鸿钧表明,希望能进一步完成马约拉纳零能模的织造,“如果能完成的话,这应该是一个世界级的打破。但即便织造完成,离真实完成拓扑量子核算机还有很远的路要走。”

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