我们花好几年时间,才知道马约拉纳费米子长什么样

  来源:SELF格致论道讲坛

  什么是马约拉纳费米子?马约拉纳费米子有多么重要?找到马约拉纳费米子以后对我们将来的生活有什么样的影响?在SELF讲坛上,贾金锋教授分享了他和他的团队寻找马约拉纳费米子的经历,也传递了科学家的不懈的探索和创新精神。

我们花好几年时间,才知道马约拉纳费米子长什么样贾金锋

  上海交通大学教授

  国家杰出青年基金获得者

  国家教育部“长江学者奖励计划”特聘教授

  以下内容为贾金锋演讲实录:

  大家好,我的名字叫贾金锋,我今天做的报告题目叫寻找马约拉纳费米子。大家看到这个题目以后可能一大堆问题,首先什么是马约拉纳费米子?

  我就从这个问题开始讲起,要了解马约拉纳费米子,首先我们得讲一下什么是费米子。讲了什么是费米子,大家还是不明白,大家理解到的子,可能最多的就是原子、分子,其实了解了原子、分子已经很好了,大家知道我们这个物质世界就是由这些原子、分子组成的。

  原子分子其实是能够保持物质性质最小的基本单元,如果把原子分子再往下分,就会分出很多个叫做基本粒子的东西。它们比原子分子更小的、组成我们物质世界的单元,我们叫做基本粒子

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  这么多的基本粒子要怎么研究呢?一位天才的科学家叫做狄拉克,他把基本粒子分成两类,一类叫费米子,一类叫玻色子。玻色和费米,他们两位都是非常伟大的科学家,为了纪念他们,所以用他们的名字命名了这两类基本粒子。

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  狄拉克还预言,这些基本粒子还存在反粒子,每一种基本粒子都存在一种反粒子。比如说电子是一种费米子,我们用的电就是由电子产生的,它的反粒子就是正电子。所以到目前我们知道了什么是费米子,什么是玻色子,每种粒子会有反粒子。

  在这之后,又出来了一位更伟大的科学家,他叫马约拉纳,这是一位非常天才的科学家,这个天才不是我说的,是跟他一起工作的费米说的,费米就是刚才费米子的费米。费米本身就是一个非常天才的科学家,他很少夸别人是天才,但是他夸马约拉纳是一个天才,可想而知马约拉纳的多么天才了。

  马约拉纳做了这么一个预想,在狄拉克方程的基础上,他预想有可能粒子和它的反粒子是一模一样的,就是存在这么一种粒子,正反粒子是同样的一种粒子,这个预想中的粒子被称为马约拉纳费米子。 

  现在大家清楚了吧,什么是马约拉纳费米子,首先要知道清楚什么是费米子,然后费米子都有反粒子,然后反粒子和自己一样了,那就是马约拉纳费米子。

  为什么要找马约拉纳费米子?马约拉纳费米子它有什么好的地方?为什么大家都要去找它?

  这个要从两方面来讲,一方面从理论上来讲,马约拉纳做了这样一个预言,不仅因为他是一个天才的科学家,而且这个预言本身就很重要,如果你找到了就证明了他这个理论。另外在这个理论之后又出来了很多理论,比如我们常听说的一个暗物质。暗物质出来以后,有理论预言暗物质的备选粒子也是马约拉纳费米子,所以如果能够找到马约拉纳费米子,也将有助于人们理解暗物质

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  更重要的是,找到马约拉纳费米子以后,还可以做拓扑量子计算。什么是拓扑量子计算?我最后会提一下。大家就记住马约拉纳费米子除了在理论上、基础研究上有重要性之外,还可以用来做拓扑计算,所以它既在理论上有重要性,在实际应用中也很重要,所以他的预言出来之后,人们一直在找寻它。

  但是怎么找?下面我就讲讲我们是怎么找马约拉纳费米子的。在讲之前,还要讲一下,我们找的马约拉纳费米子是一种准的粒子,不是像电子、质子是一个真的粒子。准粒子是个什么概念呢?这里还要再解释一下,就是说在凝聚态这个体系里面,只有电子和原子核。在这样一个体系里面,如果你把很多个电子、原子凑在一块儿,按照某种形式把他们组合在一块儿,就有了一种特殊的性质。

  这个特殊的性质可以把它看成是跟马约拉纳费米子一样,就是它遵从同样的马约拉纳方程,所以我们就可以把它看作是一个准粒子。它其实不是由单独的一个粒子组成,是由很多的电子、原子组成一块凑成的一个东西,DIY出来的这么一个粒子,所以这叫准粒子。

  我们想找的不是一个真的单个的粒子,是一个准粒子,是在固体里面,我们经常提到的准粒子,它是代表很多个电子、原子共同的性质。知道了这个以后,我们就可以开始进行下一步了,看看怎么找这个马约拉纳费米子。

  马约拉纳费米子是存在一种叫做拓扑超导的材料里面。所有自然界的材料,它们有导电的,有不导电的,导电的叫导体,不导电的叫绝缘体。超导体电阻为0,它比一般的导体要好,就是在导电过程中没有电阻,这叫超导体。

  超导体前面加两个字叫拓扑超导体,这个东西是什么材料呢?这里我再解释一下,拓扑超导体是拓扑绝缘体发现以后,人们发现的另外一种物质的状态,这是一种新型的超导体,在它的表面就会存在着马约拉纳费米子。

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  但实际上自然界中我们发现了成千上万种超导体,没有一种是拓扑超导体。拓扑超导体在自然界中不存在,这就是一个很大的问题。就是说你要找到马约拉纳费米子,就必须找拓扑超导体,但是拓扑超导体在自然界中没有,怎么办?

  还好我们前面听说过有一个叫拓扑绝缘体的材料,有一个理论预言,如果把拓扑绝缘体和超导体放在一起,他们俩就可以再组合成拓扑超导体。如果我们把拓扑绝缘体和超导体组合在一起,怎么样把它巧妙地组合起来,组合出这种拓扑超导体,然后我们就可以做马约拉纳费米子了。

  我们的方案就是从这开始的,组超导体并不是那么容易,我们在做这个实验之前,我们有一定的实验积累,我们把扫描隧道显微镜和一种叫分子数外延的寻找材料的方法结合在一起,这样我们在材料制备上就达到了世界领先水平。我们可以一个原子层一个原子层的去找原子,这样找出来的材料应该是世界上最好的纯度。

  有了这些技术以后,我们就通过另外的一个实验的设计,很容易的找出了拓扑超导体,并且通过巧妙的设计,把这个拓扑超导体设计成比较有利于我们的实验观察的形式。所以有了这个材料之后,我们就可以比较好的进行我们的实验。

  我们的实验是用了扫描隧道显微镜技术,这个扫描隧道显微镜是目前唯一的能够在实空间里面看见真实原子的显微镜,它的放大倍数非常大。说起来这个显微镜很神奇,但是实际上原理很简单,它的原理就是相当于用一个手指头在表面上去摸,原子有起伏,你就会感觉出来,但实际上不是用的手指头,而是用的一个非常尖的针,针从表面上划过的时候,我们去测量针和亚米原子之间的电流,如果针和亚米原子之间非常近的时候电流大,远的时候电流就小,这样我们可以记录表面上的高低起伏有没有原子。

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  另外我们用的这个针有磁性,有了磁性以后,表面上,有磁性的原子和没磁性的原子就可以区别开来,这样我们就可以用这样一个扫描隧道显微镜既研究表面上的结构,也研究表面上的磁性。这个就叫自旋极化扫描隧道显微镜,有了这个东西,又有了我们的材料,就可以开始我们的研究。

  其实我们这个研究也不是那么容易,找到了材料以后,又有了高级的设备,我们也是用了好几年的时间,原因是什么,原因就是我们并不知道马约拉纳费米子到底长什么模样,和普通的超导体有什么区别。你看见了什么东西,就是看见了马约拉纳费米子。所以我们花了好几年的时间,我们找各种各样的与普通超导体不一样的信号,找到了这个信号以后看看它跟马约拉纳费米子是不是一样。

  这样摸索了好几年以后,终于我们找着了一种叫做自旋极化电流的东西,这就是我们用的样品,其实样品很小,这是一、二、三,三个样品,真正起作用的就是中间一小点。在这个样品上,这就是我们做的拓扑超导样品,在这个样品上我们又观察到了自旋极化电流,自旋极化电流确实是由马约拉纳费米子产生的。通过这个观察我们证明了马约拉纳费米子的存在。

我们花好几年时间,才知道马约拉纳费米子长什么样

  最后我们再来讲一下,马约拉纳费米子的发现对我们有什么用?我刚才讲了它可以用来做拓扑量子计算。量子计算非常有用,速度非常快,能够处理现有的整个世界上加起来计算能力更大的东西。但是量子计算并不是那么容易实现的,原因之一就是你想把所有的量子比特给它纠缠起来,然后保持它在一个相当长的时间之内完成这个量子计算很困难,有很多噪音杂质的影响。所以量子计算到目前为止还没有实现

  为了克服这外界因素的干扰,人们就提出了另外一个实现量子计算的方法,就是拓扑量子计算。拓扑量子计算就是利用它的拓扑性质,来保护量子比特不受干扰,使它能够不用再纠错,不用再担心退相干的问题,这样更容易的实现量子计算。

  但是拓扑量子计算完全是一个假想出来的方案,这个方案需要结合任意子,这是更奇特的一种东西,完完全全臆想出来的任意子。只有有了这个任意子,我们才能做这个拓扑来自计算。

  这个任意子也是假想出来的,自然界当中也不存在。可喜的是,我们找到的马约拉纳费米子恰恰就是一种任意子,所以马约拉纳费米子为什么能做拓扑量子计算,就是因为它是个任意子,所以它是实现拓扑量子计算的一种很好的材料。

  我们希望接着往下研究,能够在近期把马约拉纳费米子弄清楚,用它来做拓扑量子计算。其实在马约拉纳费米子被提出来能在凝聚态中能够实现的这个想法以后,各个国家已经开始布局了,欧美已经投入了大量资金,在马约拉纳费米子的研究以及拓扑量子计算的研究方面。

  微软已经从2010年开始投资这个方向,五年一个周期,现在进入到第二个周期。所以拓扑量子计算方法和马约拉纳费米子的研究进展也非常快,国际上几十个团队都在研究这个方向。

  我们能够率先找到马约拉纳费米子,是非常幸运的一件事,我们希望能够在国家的支持下,接着往前走,希望在五年到十年之内找出用马约拉纳费米子做的量子比特,然后再进一步实现拓扑量子计算。通过我的报告,希望大家能够明白,什么是马约拉纳费米子,马约拉纳费米子有多么重要,找到马约拉纳费米子以后对我们将来的生活有什么样的影响,谢谢大家。

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