近日，中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞院士帶領(lǐng)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，首次實(shí)現(xiàn)大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列，向拓?fù)淞孔佑?jì)算邁進(jìn)重要一步。相關(guān)成果6月8日發(fā)表在《自然》(Nature)。

圖片來自《自然》(Nature)

論文共同第一作者為中科院物理所博士研究生李萌、副研究員李更和博士曹路，共同通訊作者為中科院物理所高鴻鈞院士和美國波士頓學(xué)院教授Ziqiang Wang。中科院物理所靳常青和望賢成提供了實(shí)驗(yàn)所需的LiFeAs（鋰鐵砷）單晶。

從馬約拉納費(fèi)米子到馬約拉納零能模

“在物理學(xué)家眼中，我們的宇宙是由60多種基本粒子構(gòu)成的。這些基本粒子按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律的不同可以劃分為玻色子和費(fèi)米子兩大類，例如人們所熟知的光子屬于玻色子，電子屬于費(fèi)米子，它們都是基本粒子?！敝锌圃何锢硭毖芯繂T、論文共同第一作者李更向澎湃新聞(www.6773257.com)記者表示，對(duì)于費(fèi)米子而言，大多數(shù)費(fèi)米子的反粒子與它本身不同，例如電子的反粒子是正電子，帶有一個(gè)單位的正電荷?！斑@類費(fèi)米子被稱為‘狄拉克費(fèi)米子’，以著名物理學(xué)家保羅?狄拉克命名。”

但還有另一種神奇的基本粒子，它的反粒子就是其本身。這種基本粒子叫做“馬約拉納費(fèi)米子”，由意大利物理學(xué)家埃托雷?馬約拉納在1937年理論預(yù)言。然而，在其預(yù)言后的80多年時(shí)間里，粒子物理學(xué)家始終未能在廣袤宇宙中找到該粒子存在的確切證據(jù)。

而在物理學(xué)的另一大分支——凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，理論學(xué)家預(yù)言在固體材料中，可能會(huì)出現(xiàn)與馬約拉納費(fèi)米子類似的基本粒子，即“馬約拉納準(zhǔn)粒子”。被束縛在空間特定地方的馬約拉納準(zhǔn)粒子具有零能的特征，因此被稱為“馬約拉納零能?！薄?/p>

“馬約拉納零能模的統(tǒng)計(jì)規(guī)律既不像玻色子，也不像費(fèi)米子，而是表現(xiàn)為一種獨(dú)特的非阿貝爾統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這種準(zhǔn)粒子的編織操作被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的重要途徑。”李更說道。

鐵基超導(dǎo)體中的馬約拉納零能模

在晶體材料體系中尋找并調(diào)控馬約拉納零能模，是實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算的關(guān)鍵步驟，也是凝聚態(tài)物理前沿研究方向之一。

近年來，在拓?fù)浞瞧接沟蔫F基超導(dǎo)體中尋找馬約拉納零能模已經(jīng)取得長足進(jìn)展。與其他體系（如超導(dǎo)-半導(dǎo)體納米線、磁性原子鏈、拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)等）相比，鐵基超導(dǎo)體具有單一組分、高溫超導(dǎo)、本征拓?fù)涞刃再|(zhì)，避免了復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、極低溫的觀測(cè)條件等問題，是研究馬約拉納零能模的理想載體。

“我們實(shí)驗(yàn)的核心是圍繞鐵基超導(dǎo)體中的馬約拉納零能模，而馬約拉納零能模的存在起源于鐵基超導(dǎo)體的特殊的拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)。相關(guān)的理論最早由物理所的方忠研究員課題組和胡江平研究員課題組提出并不斷發(fā)展?！崩罡蚺炫刃侣?www.6773257.com)記者說道，“在他們理論工作的指引下，我們?cè)?018年證實(shí)了第一種鐵基超導(dǎo)馬約拉納材料平臺(tái)--鐵碲硒。在鐵碲硒中，我們首次觀測(cè)到了磁通渦旋中心的馬約拉納零能模。經(jīng)過五年多的探索，我們找到了能實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模陣列的鐵基超導(dǎo)體鋰鐵砷(LiFeAs)?！?/p>

李更表示，值得一提的是，無論是鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)電性的研究，還是鐵基超導(dǎo)體拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)的研究，中國科學(xué)家均是走在世界最前沿。鐵基超導(dǎo)體中的馬約拉納零能模，這是一條從理論到實(shí)驗(yàn)均由中國科學(xué)家開辟的研究領(lǐng)域。

大面積有序可調(diào)的馬約拉納零能模陣列

自從鐵基超導(dǎo)體拓?fù)淠軒У陌l(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家在多種鐵基超導(dǎo)體中（如CaKFe4As4、雜質(zhì)輔助的LiFeAs）均發(fā)現(xiàn)了馬約拉納零能模。然而這些材料體系存在著由于自摻雜帶來的體態(tài)不均一、渦旋陣列無序且不可控，以及拓?fù)錅u旋占比低等問題，阻礙了其進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

如何突破當(dāng)前研究瓶頸，獲得大面積、高度有序且可調(diào)控的馬約拉納零能模陣列，向拓?fù)淞孔佑?jì)算更進(jìn)一步，是當(dāng)前鐵基超導(dǎo)馬約拉納領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

圖一：LiFeAs雙軸電荷密度波區(qū)域的表征，圖片來自中科院物理所

此次，高鴻鈞和李更等研究人員對(duì)鐵基超導(dǎo)體LiFeAs進(jìn)行了深入研究。通過實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力可以誘導(dǎo)出大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列。應(yīng)力是指物體由于外因（受力、濕度、溫度場(chǎng)變化等）而變形時(shí)，物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，可以抵抗前述外因作用，并試圖使物體從變形后位置恢復(fù)到變形前位置。

圖二：磁通渦旋中的馬約拉納零能模，圖片來自中科院物理所

前述研究的主要發(fā)現(xiàn)可概括為以下四個(gè)方面：一、晶體中的自然應(yīng)力可誘導(dǎo)產(chǎn)生雙軸電荷密度波條紋，沿著鐵-鐵和砷-砷晶格方向，其波長分別為2.7納米和24.3納米（如圖一所示）；二、波長為24.3納米的電荷密度波對(duì)超導(dǎo)能隙具有明顯的調(diào)制作用,當(dāng)施加垂直于樣品表面的磁場(chǎng)后，形成的磁通渦旋全部被釘扎在超導(dǎo)序較弱的砷-砷方向電荷密度波條紋上，形成有序的渦旋陣列（如圖二所示）；

圖三：馬約拉納零能模產(chǎn)生機(jī)理，圖片來自中科院物理所

三、雙軸電荷密度波的存在使得晶體對(duì)稱性降低，從而改變了費(fèi)米能級(jí)附近的拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)，使得超過90%的磁通渦旋中心具有馬約拉納零能模，形成高度有序的馬約拉納零能模陣列（如圖三、四所示）；四、這種有序的馬約拉納零能模陣列可被外磁場(chǎng)調(diào)控，隨著磁場(chǎng)增加，渦旋間距減小，馬約拉納零能模間的相互作用開始凸顯（如圖四所示）。

圖四：用磁場(chǎng)調(diào)控大面積有序的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列，圖片來自中科院物理所

基于馬約拉納零能模的拓?fù)淞孔佑?jì)算

量子計(jì)算機(jī)遵循量子力學(xué)規(guī)律，在處理特定復(fù)雜問題時(shí)，相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有著巨大的優(yōu)越性。因此，歐美等多國政府和科技企業(yè)紛紛投入財(cái)力發(fā)展量子計(jì)算。

2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了我國的“量子優(yōu)越性”，即對(duì)于特定任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)可以解決，而現(xiàn)存的任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)用任何已知算法，都不能在一個(gè)可接受的時(shí)間內(nèi)完成。

隨著量子計(jì)算的發(fā)展，如何開發(fā)出實(shí)用量子計(jì)算機(jī)成為該領(lǐng)域的重要研究問題之一。但量子計(jì)算的主要挑戰(zhàn)在于量子系統(tǒng)無法和環(huán)境完全分隔，因此量子態(tài)很容易受環(huán)境的干擾，產(chǎn)生退相干現(xiàn)象，使得計(jì)算過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生和積累錯(cuò)誤。“由馬約拉納零能模組成的非局域拓?fù)淞孔颖忍兀梢詮脑砩辖鉀Q量子計(jì)算無法避免的量子退相干問題，這是拓?fù)淞孔佑?jì)算這種途徑的優(yōu)勢(shì)所在。”李更向澎湃新聞(www.6773257.com)記者說道。

此次中科院物理所團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，大面積有序可調(diào)的馬約拉納零能模陣列可以在LiFeAs中穩(wěn)定存在，為實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了重要的高質(zhì)量研究平臺(tái)。

圖片來自中科院物理所

“我們的成果為實(shí)現(xiàn)馬約拉納零能模的操縱提供了很好的平臺(tái)，但是離真正實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算，還是有很長的路要走?！?李更表示，未來中科院物理所團(tuán)隊(duì)會(huì)在已有高質(zhì)量平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，嘗試對(duì)馬約拉納零能模進(jìn)行編織操作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍?，以此?gòu)造拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)?！斑@期間還有很多從‘0’到‘1’的基礎(chǔ)研究與技術(shù)難關(guān)需要突破?！?/p>