我科學家成功調控馬約拉納零能模陣列

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科技日報北京6月8日電 （記者陸成寬）8日，《自然》發表了一項關於馬約拉納零能模的重要成果。我國科學家首次在鐵基超導材料鋰鐵砷中成功調控大面積、高度有序的馬約拉納零能模格點陣列。這一成果對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。

故事要從基本粒子開始。探尋構成物質的基本單位，是上百年來物理學家孜孜不倦的追求。他們把構成物質最小、最基本的單位稱為“基本粒子”。按照統計規律的不同，基本粒子可分為玻色子和費米子兩大類。比如，光子屬於玻色子，電子屬於費米子。對費米子而言，大多數費米子的反粒子與它本身不同。

然而，1937年，意大利理論物理學家馬約拉納預言，自然界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。但此後的80多年裏，粒子物理學家始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據。

幸運的是，在物理學的另一大分支——凝聚態物理領域，理論研究表明，在固體材料中可能會出現與馬約拉納費米子類似的基本粒子，這種基本粒子被稱為馬約拉納準粒子或馬約拉納零能模。

這種準粒子對局部變化不敏感，有望作為穩定的拓撲量子比特應用在自容錯的量子計算機上。量子計算的主要挑戰在於量子態很容易受環境的干擾，產生退相干現象，使得計算過程中會不斷地產生錯誤。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傳統量子計算無法避免的量子退相干問題，引起了研究人員的廣泛關注。

2018年，中科院物理所高鴻鈞研究團隊與其他研究團隊合作，利用其自主設計組裝的極低温強磁場掃描隧道顯微鏡，首次在鐵基超導材料鐵碲硒中觀測到純淨的馬約拉納零能模。隨後，他們又在其他鐵基超導材料中觀測到馬約拉納零能模。

然而，這些鐵基超導材料存在着組分不均一、馬約拉納零能模佔比低等問題，阻礙了對馬約拉納零能模的進一步研究和應用。

“如何突破當前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調控的馬約拉納零能模陣列，向拓撲量子計算更進一步，是當前鐵基超導馬約拉納領域亟待解決的問題之一。”高鴻鈞表示。

近幾年，高鴻鈞研究團隊對鐵基超導體鋰鐵砷進行了細緻而深入的研究。功夫不負有心人！利用多年積累的強大的掃描隧道顯微鏡研究平台和豐富的研究經驗，研究人員通過實驗發現，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，並觀測到了調控引起的馬約拉納零能模相互作用。

對此，高鴻鈞表示，這項研究為下一步實現馬約拉納零能模的編織以及拓撲量子計算奠定了堅實的基礎。