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实验探索马约拉纳费米子

Science China Press

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IMAGE: Topological insulator/superconductor heterostructure. Majorana fermion exists in the vortex core on the surface of the heterostructure. 拓扑绝缘体与超导体异质结。在异质结表面的磁通涡旋中存在马约拉纳费米子。 view more

Credit: �Science China Press

在粒子世界里, 住着两大家族:费米子家族(如电子、质子)和玻色子家族(如光子、介子), 它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。1937年, 意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言, 自然界中可能存在一类特殊的费米子, 这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样, 脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子, 可以说, 它们的反粒子就是自己本身, 这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。但是, 令科学家十分头疼的是, 要证明这一点却是非常的困难, 必须观察到一种所谓的无中微子双贝塔衰变的现象。尽管科学家做了很多努力, 但在过去的近80年中, 物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。

2016年初, 中国的科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。上海交通大学贾金锋教授带领的研究团队利用超导体和拓扑绝缘体异质结制备人造拓扑超导体, 并成功探测到马约拉纳费米子。

关于人造拓扑超导体中马约拉纳费米子探测的研究工作综述最近发表于Science China Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA), 60, 057401, 2017。文章介绍了上海交通大学贾金锋教授领导的研究团队以及其合作者们近几年来在该领域取得的一系列重要成果与突破。

马约拉纳费米子具有新奇性, 它与它的反粒子完全相同。在凝聚态物理中, 马约拉纳费米子会以准粒子的形式出现在拓扑超导体中, 并且具有非阿贝统计性质, 能够应用于可容错拓扑量子计算, 使得量子计算机的应用前景大大提升。

然而, 自然界中尚未找到确定的拓扑超导体。因此, 上海交大研究团队另辟蹊径, 将拓扑绝缘体与超导体制备成异质结。在异质结中, 表面的拓扑绝缘体具备拓扑表面态, 而底层的超导体则将其超导电性通过近邻效应传递给拓扑表面态, 从而形成拓扑超导体。在这个系统中外加磁场, 在表面激发量子磁通涡旋, 就能在涡旋中心探测到马约拉纳费米子。

在该材料体系中研究马约拉纳费米子存在两个主要技术难点:一, 寻找合适的制备异质结的材料;二, 探索马约拉纳费米子的性质。2012年, 上海交大团队成功地在超导体NbSe2上外延生长了高质量的拓扑绝缘体薄膜Bi2Se3, 迈出了制备异质结的重要第一步。随后的几年中, 该团队又在NbSe2上外延生长了高质量的拓扑绝缘体薄膜Bi2Te3, 并利用扫描隧道显微镜观测到了异质结表面涡旋中心马约拉纳费米子存在的一系列实验证据。

马约拉纳费米子是一种电子态, 它的能量严格为零。然而, 在涡旋中心存在着一些低能量的电子态。以现有的扫描隧道显微镜能量分辨率, 无法直接从能量尺度上区分这些电子态与马约拉纳费米子, 这为探测带来了很大困难。通过分析实验数据, 研究人员发现马约拉纳费米子的空间分布与涡旋中其他电子态有很大不同, 进一步探测这些空间分布, 研究团队首次证实了马约拉纳费米子在该体系中的存在。理论研究表明马约拉纳费米子还存在磁学性质, 会产生自旋选择性安德烈夫反射。利用自旋极化扫描隧道显微镜, 成功探测到了涡旋中心马约拉纳费米子的自旋极化信号。这个结果不仅再次证明马约拉纳费米子的存在, 还为调控操纵马约拉纳费米子, 从而实现量子拓扑计算带来了可能。

更多详情请阅原文: Hao-Hua Sun and Jin-Feng Jia, Majorana zero mode in the vortex of an artificial topological superconductor, Science China-Physics Mechanics Astronomy, 60, 057401, 2017.

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/60/5/10.1007/s11433-017-9011-7?slug=full%20text http://link.springer.com/article/10.1007/s11433-017-9011-7

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