該裝置可幫助物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)最清晰的馬約拉納費米子信號。中間灰色金屬線是納米線，綠色區(qū)域是一條超導(dǎo)鋁帶。來源：張浩/QuTech量子計算實驗室
在最新的同類型實驗中，研究人員已經(jīng)得到了最令人信服的證據(jù)，證明在一種特殊的超導(dǎo)體中潛伏著不同尋常的粒子。這一結(jié)果證實了近十年前在聯(lián)合量子研究所(JQI)和馬里蘭大學(xué)(UMD)首次提出的理論預(yù)測，該結(jié)果將在4月5日出版的《自然》雜志上發(fā)表。
被稱為馬約拉納費米子的stowaways不同于普通物質(zhì)，如電子或夸克—構(gòu)成元素周期表的元素。與這些不能被分解為更基本個體的粒子不同，馬約拉納費米子是由許多原子和電子組合而成，并且只有在特殊條件下才會出現(xiàn)。它們被賦予了獨特的特性，可以使其成為量子計算機的一種中樞。當(dāng)然，研究人員多年來也一直試圖追蹤到它們的蹤跡。
最新實驗結(jié)果對搜尋馬約拉納費米子的研究者來說，是最具吸引力的。這證實了許多理論預(yù)測，并為未來更精細(xì)的實驗奠定了基礎(chǔ)。在這項新工作中，研究人員測量了通過連接到超導(dǎo)鋁帶的超薄半導(dǎo)體的電流。該方法可將整個組合轉(zhuǎn)化為特殊類型的超導(dǎo)體。
這類實驗將納米線暴露在強磁體下。在低溫條件下，這將為電子在導(dǎo)線中提供一種額外的方式來組織自身排列方式。由于這個附加的排列方式，導(dǎo)線預(yù)計會驅(qū)動一個馬約拉納費米子，同時實驗人員可通過仔細(xì)測量導(dǎo)線的電反應(yīng)活動來驗證它的存在。
這項新實驗由荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)QuTech量子計算實驗室的研究人員和微軟研究院進行，其樣品由加利福尼亞大學(xué)、圣巴巴拉和荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)制備。實驗人員將他們的結(jié)果與JQI研究員Sankar Das Sarma和JQI研究生劉春曉的理論計算結(jié)果進行了比較。
? ? ? 代爾夫特的同組人員在2012年看到了馬約拉納費米子的線索，但測得的電反應(yīng)并沒有理論預(yù)測的那么大。現(xiàn)在已經(jīng)觀察到了全部效應(yīng)，甚至當(dāng)實驗者搖動磁場或改變電場強度時，它仍然穩(wěn)定存在。如劉春曉經(jīng)過縝密分析所得到的理論模擬預(yù)測那樣，這種穩(wěn)定性提供了甚至更強的證據(jù)：實驗已經(jīng)捕獲了馬約拉納費米子。
該論文的合著者，同時也是UMD凝聚態(tài)理論中心主任Das Sarma說：“我們已從2010年的理論方法中走出了一條很長的路，即如何在半導(dǎo)體-超導(dǎo)體混合系統(tǒng)中創(chuàng)建馬約拉納費米子。 但在我們尋找這些奇怪粒子宣告取得全面勝利之前，仍然還有一段路要走。”
研究人員對組裝納米線的方式進行多年改進后，半導(dǎo)體線與鋁帶之間的接觸更為純凈。與此同時，理論研究者已深入了解了馬約拉納費米子可能的實驗特征-這是由Das Sarma和UMD的幾個合作者一同開創(chuàng)的。
理論與實驗相一致
在細(xì)量子線中尋找馬約拉納費米子的研究始于2001年，由時任微軟研究院的物理學(xué)家阿列克謝?基特耶夫(Alexei Kitaev)推動。現(xiàn)在在帕薩迪納加州理工學(xué)院的Kitaev想象出一種相對簡單但不現(xiàn)實的系統(tǒng)。該系統(tǒng)理論上可存儲一個馬約拉納費米子。但這種假想的導(dǎo)線需要一種特定的超導(dǎo)性，而這種超導(dǎo)性并不能從自然界中得到。另外一些人很快就開始通過混合和匹配可用的材料，來尋找仿制Kitaev裝置的方法。
其中一個挑戰(zhàn)是如何獲得超導(dǎo)體，它們通常會以偶數(shù)個電子(2、4、6等)進行正常運轉(zhuǎn)，同時也允許奇數(shù)個電子，但這種情況通常不穩(wěn)定，需要額外的能量來維持。這個奇數(shù)是必須的，因為馬約拉納費米子是不加修飾的“異類”：它們只出現(xiàn)在奇數(shù)個電子的配價行為中。
2010年，在Kitaev的原始論文《Das Sarma》、JQI的Jay Deep Sau和JQI博士后研究人員Roman Lutchyn以及又一組人員研究接近十年后，他們發(fā)現(xiàn)了一種可用來創(chuàng)造出這些特殊超微半導(dǎo)體的方法，并從那時起就開始了實驗研究。他們建議將某種半導(dǎo)體與普通的超導(dǎo)體結(jié)合起來，并通過整體來測量電流。他們預(yù)測：這兩種材料的結(jié)合再加上強大的磁場，將會揭秘馬約拉納費米子的排列情況，并會產(chǎn)生Kitaev所假想的特殊材料。
他們還預(yù)測，馬約拉納費米子可以在這種納米線中電流流過時被發(fā)現(xiàn)。如果你把一個普通的半導(dǎo)體連接到一個金屬線和一塊電池，電子通常有機會從導(dǎo)線上跳到半導(dǎo)體上，并且有可能被拒絕—細(xì)節(jié)取決于電子和材料的構(gòu)成。但是如果你使用Kitaev所說的納米線，事情會完全不同。電子總是被完美地反射回導(dǎo)線，但它不再是電子了。它變成了科學(xué)家所說的一個洞——基本上是金屬中缺失了一個電子的一個點——它帶著一個正電荷回到相反的方向。
物理學(xué)要求在界面上的電流是守恒的，這意味著兩個電子必須在超導(dǎo)體中結(jié)束以平衡另一方向上的正電荷。奇怪的是這一過程，物理學(xué)家稱之為完美的Andreev反射，即使金屬中的電子沒有向邊界推進也會發(fā)生——也就是說它們沒有連接到各種各樣的電池。這與馬約拉納費米子是它自身反粒子有關(guān)，也就是說，在納米線中制造一對馬約拉納費米子是不需要花費任何能量的。馬約拉納費米子的排列方式給了這兩個電子一些附加的回旋空間，使它們能夠以量子化的方式穿過納米線——也就是說，一次恰好是兩個。
劉春曉說，“馬約拉納費米子的存在產(chǎn)生了這種量子化微分電導(dǎo)。”他進行了數(shù)值模擬，以預(yù)測在UMD Deepthought2超級計算機集群上的實驗結(jié)果。“同時，這樣的量子化甚至應(yīng)對參數(shù)的微小變化都具有可靠性，就像真正的實驗所表明的那樣。”
? 科學(xué)家們將這種實驗稱為“隧穿光譜法”，因為電子通過納米線將量子線帶到另一邊。這一直是最近致力于捕捉馬約拉納費米子的焦點，但也有其他的測試可以更直接地揭示這些粒子的奇異特性—這些測試將完全證實馬約拉納費米子是真實存在的。
Das Sarma說：“這個實驗是我們在尋找這些奇異的、難以捉摸的馬約拉納費米子的過程中所邁出的一大步，顯示出過去5年在材料改進方面所取得的巨大進步。我確信這些奇怪的粒子存在于這些納米線中，但只有建立基礎(chǔ)物理的非局部測量才能得到令人信服的證據(jù)。”
