該裝置可幫助物理學家發現最清晰的馬約拉納費米子信號。中間灰色金屬線是納米線，綠色區域是一條超導鋁帶。來源：張浩/QuTech量子計算實驗室
在最新的同類型實驗中，研究人員已經得到了最令人信服的證據，證明在一種特殊的超導體中潛伏著不同尋常的粒子。這一結果證實了近十年前在聯合量子研究所(JQI)和馬里蘭大學(UMD)首次提出的理論預測，該結果將在4月5日出版的《自然》雜志上發表。
被稱為馬約拉納費米子的stowaways不同于普通物質，如電子或夸克—構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。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測，并為未來更精細的實驗奠定了基礎。在這項新工作中，研究人員測量了通過連接到超導鋁帶的超薄半導體的電流。該方法可將整個組合轉化為特殊類型的超導體。
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，導線預計會驅動一個馬約拉納費米子，同時實驗人員可通過仔細測量導線的電反應活動來驗證它的存在。
這項新實驗由荷蘭代爾夫特技術大學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、圣巴巴拉和荷蘭埃因霍溫科技大學制備。實驗人員將他們的結果與JQI研究員Sankar Das Sarma和JQI研究生劉春曉的理論計算結果進行了比較。
? ? ? 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，但測得的電反應并沒有理論預測的那么大。現在已經觀察到了全部效應，甚至當實驗者搖動磁場或改變電場強度時，它仍然穩定存在。如劉春曉經過縝密分析所得到的理論模擬預測那樣，這種穩定性提供了甚至更強的證據：實驗已經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，即如何在半導體-超導體混合系統中創建馬約拉納費米子。 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的。
理論與實驗相一致
在細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家阿列克謝?基特耶夫(Alexei Kitaev)推動。現在在帕薩迪納加州理工學院的Kitaev想象出一種相對簡單但不現實的系統。該系統理論上可存儲一個馬約拉納費米子。但這種假想的導線需要一種特定的超導性，而這種超導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。
其中一個挑戰是如何獲得超導體，它們通常會以偶數個電子(2、4、6等)進行正常運轉，同時也允許奇數個電子，但這種情況通常不穩定，需要額外的能量來維持。這個奇數是必須的，因為馬約拉納費米子是不加修飾的“異類”：它們只出現在奇數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，他們發現了一種可用來創造出這些特殊超微半導體的方法，并從那時起就開始了實驗研究。他們建議將某種半導體與普通的超導體結合起來，并通過整體來測量電流。他們預測：這兩種材料的結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，并會產生Kitaev所假想的特殊材料。
他們還預測，馬約拉納費米子可以在這種納米線中電流流過時被發現。如果你把一個普通的半導體連接到一個金屬線和一塊電池，電子通常有機會從導線上跳到半導體上，并且有可能被拒絕—細節取決于電子和材料的構成。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線，但它不再是電子了。它變成了科學家所說的一個洞——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體中結束以平衡另一方向上的正電荷。奇怪的是這一過程，物理學家稱之為完美的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，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生了這種量子化微分電導。”他進行了數值模擬，以預測在UMD Deepthought2超級計算機集群上的實驗結果。“同時，這樣的量子化甚至應對參數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，但只有建立基礎物理的非局部測量才能得到令人信服的證據。”
