来自另一个宇宙的救赎,寻找马约拉纳费米子

2019-11-05 17:56栏目:生命科学
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此外,每周六上午,课题组都会召开文献报告,每位成员都需要用英语讲演某个方向的综述,或者是一项最前沿的科研进展。

但问题是,人们应该到哪里去寻找马约拉纳任意子呢?

2019年年初,这项成果被中国科学院院士和中国工程院院士们列为“2018年中国十大科技进展”之一。

失落的预言

成功的故事总是相似的。一项重大成果的取得,背后一定由无数个默默奋斗的深夜累积而成。

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aao1797

优秀成绩的取得,离不开一个好的团队成长机制,高鸿钧有自己的“带团”秘诀,而这个方法,能让每一位科研“新手”迅速成长。

一支由中国科学家领导的团队给新型量子计算机的研制带来了更多可能性。8月17日在线出版的《科学》杂志上,报道了中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队的一项新发现,他们首次在超导块体中观察到了马约拉纳零能模,即马约拉纳任意子。

它的意义十分重要。

当马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时,它就会“分裂”,变成两个马约拉纳任意子。马约拉纳任意子具有奇特的非阿贝尔统计,可以用来构造拓扑量子比特,应用于自容错的量子计算机。

由于马约拉纳费米子具有一种极优的特性——当它以准粒子的形式出现在固体材料表面时,就会变成马约拉纳任意子,这可以用来构造拓扑量子比特,应用于自容错、高稳定性的拓扑量子计算机。也就是说,如果成功,这将改写人类的历史。

在此次研究中,中科院院士高鸿钧研究组与丁洪研究组的科研人员,利用高鸿钧组自主设计、集成研制的探测系统进行了系列探索,最终首次在铁基超导体中找到了成分纯度很高的马约拉纳任意子。进一步实验发现,该马约拉纳任意子在6特斯拉以下的磁场及4开尔文以下的温度中都能稳定存在。

不过,马约拉纳费米子是否真的存在,不同物理学家各持己见。直到2014年,丁洪团队与国外科学家合作发现了某些“蛛丝马迹”。2017年,将马约拉纳费米子命名为“天使粒子”的斯坦福大学讲习教授、美国科学院院士张首晟及其团队也进一步预测了出现马约拉纳束缚态可能合适的条件。

“马约拉纳任意子就像是组成拓扑量子比特的‘砖块’。”国科大卡弗里理论科学研究所所长张富春说,基于马约拉纳任意子的拓扑量子计算机对环境局部扰动有很强的抗干扰能力,自身带有高容错的秉性。“因此,谁要是能用马约拉纳任意子做出拓扑量子比特,将是非常重大的一个贡献。”

“凝聚态物理是与实际应用联系较为紧密的物理科学,研究热点会随着时间而变化,个人具体研究的内容也会随着热点而变。”范朋讲述着他的感悟。在找到自己感兴趣的研究方向之前,更多需要学习的是做科研的技能,从实验仪器怎么组装、实验器材如何买,到不同研究内容的文献调研、相关软件等“全套的”科研流程都需要了解一番,“只要跟科研工作有关的,都需要跟着老师和师兄们学一学,老师、师兄的师兄也会帮忙‘带’。”

也许,除了为马约拉纳物理研究开辟新的方向外,这项成果所带来的无形影响,将更加深远。

在王东飞看来,“传帮带”是一个很好的模式,而在他们团队也早已成为一个传统。

“隐形冠军”这样炼成

高鸿钧和丁洪联合研究团队的观测结果被称为是一项里程碑式的发现,也成为人类攻克拓扑量子计算机难题中的重要一步。

当然,准粒子与基本粒子也是有些区别的。“基本粒子是可以独立存在的;而准粒子不能独立存在,只能存在于一定的环境中。”北京大学物理学院量子材料科学中心副主任杜瑞瑞告诉《中国科学报》记者,“比如一杯水里有些气泡,这些气泡就是准粒子,你不能把气泡拿出来。离开这杯水,气泡就不能存在了。”

“传帮带”打造最强团队

但这并没能阻止物理学界对它的痴迷,以及疯狂的寻找。因为马约拉纳费米子所具备的一个特性,很可能改写人类历史。

80多年前,意大利物理学家马约拉纳曾预测宇宙中存在一种神奇的粒子——马约拉纳费米子。然而,不知为何马约拉纳却神秘失踪,这种神秘粒子是否真的存在也就成了一桩“悬案”。后来,凝聚态物理学家将马约拉纳费米子的概念引入到固体材料中,即马约拉纳束缚态。由于它具有非阿贝尔统计的性质,可运用于拓扑量子计算机,因此,寻找马约拉纳费米子成为物理学界最前沿的研究热点。

1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳预言了一种自旋为1/2的中性费米子,其反粒子就是它本身。

王东飞说,通过初期的科研训练和对相关课题及研究方向的大致了解,学生会大致了解自己感兴趣的方向及自身的优势和劣势。有时导师还会帮助学生作分析,为学生作选择提供建议。“导师的学术视野非常广。”

量子计算机的Plan B

从高鸿钧团队走出来的博士毕业生中,目前有3位在美国的著名大学做教授、一位在新加坡的著名大学做教授,有10多位在国内的著名大学和研究所做教授和研究员,如:中国人民大学、武汉大学、北京理工大学、西安交通大学和中国科技大学等,还有几位留在物理所工作。

在中科院院长白春礼看来,这一成果“对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要的意义”。

这是第一次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳费米子,相比其他体系,该体系拥有更高温、更纯净、结构更简单的优点,同时,为马约拉纳费米子的研究开辟了新方向。

然而,要证明这个猜测实在是太难了,尽管科学家做了各种努力,但至今还没有实验能够证实这一点。

“我们必须要快。”范朋说。因为,国内外还有很多个团队也在同时开展相关研究。

(原载于《中国科学报》 2018-08-20 第1版 要闻)

“每周,同一个研究方向的成员都会开小组会,导师们听我们汇报最新进展,帮助我们解决遇到的问题。”范朋说。

此前,国内外等多个研究团队都宣称找到了马约拉纳任意子或者费米子的证据。然而,这些马约拉纳任意子/费米子存在的体系都需要构造异质结构,其工艺复杂,并且需要极低温条件。

那是一段艰辛时光。王东飞、范朋、孔令元早上9点开始工作,时常在深夜12点甚至更晚才回宿舍或回家。而遇到关键时期——数据采集时,需要操作人员不间断地观察,每隔几分钟就需要分析一次数据,并及时调整测量参数,为了尽快拿到高质量结果,范朋与王东飞,以及孔令元3人轮班通宵,每个晚上2人一起结伴操作。而每找到一个好样品就要排一次班,每次持续2~3周的时间。

量子计算机,事关人类对未来的想象,近些年以来,既是科学研究的最前沿,也是各国竞相研发的焦点。

包括这次首次在超导块体中发现马约拉纳任意子,高鸿钧团队在凝聚态物理及其应用领域创造了许多个“首次”和“第一”。

这种令人兴奋的可能性,让在凝聚态物质的多种系统中寻找马约拉纳费米子成为国际科技界激烈竞争的战略制高点之一。

它的价值很大。

为了保护这个量子比特不受干扰,就需要给它配备很多个量子比特当“护驾”,这就让制造量子计算机的难度、成本和工作量急剧上升。

这个礼物——首次在铁基超导材料中发现的马约拉纳束缚态(或称“零能模”、马约拉纳费米子),8月17日凌晨在线发表在science《科学》杂志上,范朋是第一作者之一。

不料就在次年,马约拉纳在登上一艘船后便离奇失踪。这名年轻天才的突然消失,让他的这个预言成为一桩科学悬案。

范朋和王东飞对整个实验经历记忆深刻。该研究始于2017年4月,从那时起,每天实验室-食堂-宿舍“三点一线”就成了他们的“日常”,时不时地通宵作为“加菜”。王东飞是范朋的师兄、2013级博士研究生,也是论文的第一共同作者。

固体宇宙的“拯救”

那也是一段充满成就感的时光,对他们来说,当看到数据一点点逼近理想值,所有辛苦早已烟消云散。

白春礼此言不虚。为了做好实验,研究组的一名博士生今年春节没有回家,他的妈妈就来到北京,团队在做实验,这位妈妈给他们做饭,大家一起度过了一个非同寻常的新年。

这个实验需要利用He-3极低温强磁场扫描隧道显微镜对FeTe0.55Se0.45单晶样品进行观察。

“多年来实验物理学家一直在疯狂地搜寻它在真实材料中的踪迹。这次在铁基超导材料表面观察到马约拉纳零模的特征信号,有很高的稳定度,是一个重要的发现。”麻省理工学院讲席教授、美国科学院院士文小刚认为,这项研究使铁基超导材料有可能应用于构建对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

范朋是中国科学院大学2014级博士研究生(培养单位是中科院物理研究所),师从高鸿钧院士。他可能还未意识到,他们团队和中科院物理所研究员丁洪团队共同研究的一项重大成果正在引起一场爆炸式“轰动”,这可能是2018年中国物理学界送给国际物理学界最浪漫的“七夕礼物”。

“在真实宇宙中证明马约拉纳费米子的存在,大概比找到暗物质的概率还要小。”中科院物理所研究员、国家“千人计划”入选者丁洪坦言。

寻找马约拉纳费米子是物理学界最前沿的热点之一,许多物理学家都投入到相关研究中,竞争异常激烈。近年来,美国、荷兰、中国、丹麦等多个研究团队都曾宣称找到了马约拉纳任意子或者费米子的证据,但他们的实验,都需要构造工艺复杂的异质结构体系,并且需要极低温的条件。

诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士安东尼·詹姆斯·莱格特说:“你们的实验比以前的许多实验更清晰,我相信它是第一个可信的证明超导体中拥有马约拉纳粒子的证据。”

而对于即将结束博士生涯的范朋来说,也早已找到了自己的研究兴趣。未来,他希望走向更高的国际舞台,继续从事他所热爱的科研事业。

此外在实验过程中,团队还自行研制了超快光学—扫描隧道显微系统,在高精尖科研仪器装备的自主研发上,逐渐具备了能力。

热爱+努力

在这种情况下,马约拉纳费米子的神奇特性让科学家看到了新的希望。

“马约拉纳费米子的发现只是万里长征迈出的第一步,它的特性还需要探索研究。”今年2月,王东飞到德国汉堡大学应用物理与跨学科纳米科学中心研究所做博士后,继续着马约拉纳费米子的研究。

在从事凝聚态物理学研究的科学家眼中,固体材料中也存在着一个“宇宙”。在这里,亿万个电子通过相互作用,形成决定材料性质的“准粒子”。而这些准粒子与我们真实宇宙中的基本粒子可能会遵循相同的物理规律。

不聚焦在一个方向如何做深呢?有利于个人成长吗?

斯坦福大学讲席教授、美国科学院院士张首晟说:“今天丁洪和高鸿钧教授共同领导的联合实验小组宣布了振奋人心的新发现……这项发现科学意义十分重大,大大推动了铁基超导的研究与马约拉纳费米子的研究。”

近日,马约拉纳费米子“现身”了,主要发现者是中国科学院院士、中科院物理研究所研究员、中国科学院大学物理学院院长高鸿钧及其团队和中科院物理研究所研究员、中国科学院大学教授丁洪及其团队。

这是因为传统的量子比特特别容易受到外界环境的干扰,从而导致计算的失败。

除了“传帮带”和组内的交流讨论,广泛而密切的国际合作、鼓励学生与国际顶尖学术大咖对话,也是团队得以快速成长的又一秘诀。

多年来,中科院在解决国家“卡脖子”问题和事关长远的“心腹之患”上深耕不辍。白春礼认为,在铁基超导体中发现马约拉纳任意子,是中科院“率先行动”计划实施以来,面向国际科技前沿,加强顶层设计,科学家联合攻关,取得重大科学成果的范例。

麻省理工学院讲习教授、美国科学院院士文小刚表示,它有很高的稳定度,这是一个重要的发现,使铁基超导材料有可能应用于构建对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

相较于传统计算机,量子计算机由于具有更快的运行速度和更大的计算量而被寄予厚望。但是,当前的量子计算机面临的一大问题就是稳定性差,容易出错。

一个月后的6月5日,他们终于获得了第一套比较“漂亮”的数据——纯粹且不受干扰。他们立刻向高鸿钧和丁洪两位老师汇报了结果,老师们当即表示,这就是马约拉纳束缚态。

这是第一次,人们在单一块体超导材料、相对高的温度中发现高纯度的马约拉纳任意子,国际物理学界对这项由中科院/国科大领衔的研究给予了高度评价。

2015年夏天,结束了研究生一年级的课程学习,范朋回到课题组后,导师并没有给他安排一个固定的研究方向,而是先跟着王东飞学做科研的“手艺”。刚开始的那两年,范朋参与了课题组里许多方向的研究,包括硫化钼、石墨烯纳米带、铁碲硒单晶……这些虽然都是纳米尺度的表征研究,但不同方向却有“很大差别”。

之后,科学家们将这种神奇的粒子叫做马约拉纳费米子,有些人也猜测,有着“鬼粒子”之称的中微子,有可能就是马约拉纳费米子。

然而,他们并没有止步于此,科学家对于“纯”的追求永无止境。在导师的指导下,他们利用更高分辨率的He-3极低温强磁场扫描隧道显微镜完善数据。

近年来的理论研究表明,在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子,也就是“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。

小房间里孕育的“大”成果

目前,范朋正在写作一篇关于TMD二维材料研究的研究论文,初稿已经完成,但他在与一位外籍科学家交流时,发现自己的论文有点“平铺直叙”,并没有突出工作亮点,在外籍科学家的指导下,他学到了如何在论文写作中突出研究亮点、理清逻辑思维,以及表达得简洁明了。“科研最终是要在国际舞台上展示的。实验做出来后,如何用英文汇报自己的学术成果,让别人听得懂、理解到研究亮点并接受,这很重要,也非常具有挑战性。”范朋说,

天色渐晚,华灯初上。与外面热闹的世界不同,中科院物理所纳米物理与器件实验室N04组的房间里虽亦是灯火通明,但略显安静和“冷清”,只有范朋和一台庞大实验仪器还在工作着,他们“背靠背”通过4块电脑屏幕进行着无言的交流。

他们提出了基于单晶表面外延的高质量、大面积的石墨烯生长技术,在国际上率先实现了在Ru表面获得缺陷可控、1个厘米大小的、连续的单晶石墨烯;首次成功构筑了新型二维过渡金属单硫化物——单层硒化铜;在国际上首次实现单个自旋量子态的可逆操控及其在超高密度量子信息存储中的原理性应用;在国际上首次实现了朗德g因子原子尺度的空间分辨……

张首晟说,这项发现科学意义十分重大,大大推动了铁基超导的研究与马约拉纳费米子的研究。

1937年,意大利物理学家马约拉纳曾预测一种神奇的粒子:其反粒子就是它本身,人们便把这种神奇粒子称为“马约拉纳费米子”。然而,不久后,他便离奇失踪,再无踪迹,但他的预测真假与否却成了一桩“悬案”。

来自美国、英国、德国等该领域国际顶尖科学家与课题组建立了或长期或短期的合作关系,每个季度,他们会来到物理所作报告,与学生就实验问题和成果进行交流讨论。

一开始,他们并不知道哪些单晶样品能出“好的结果”,只能不断地尝试,一共测试了47块样品。5月,王东飞和范朋在尝试测试第二批样品时,电脑屏幕上突然显示出了一丝丝“小火苗”般马约拉纳费米子的迹象,他们很是惊喜,但同时也深知,这只是迹象,数据质量并不够好。

诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士安东尼·莱格特认为,这次的实验比许多以前的实验更清晰,相信它是第一个可信的证明超导体中拥有马约拉纳准粒子的证据。

(本文作者系国科大2015级硕士研究生)

有时候,成长或许只在高手的一两句点睛言语之间。

2018年8月17日,农历七月初七,七夕情人节。女生化好精致的妆容等候着下班与伴侣浪漫约会,每家餐馆门前都排起了“长龙”般的队伍,既有燕侣莺俦也有银发伉俪,大街小巷随处是玫瑰花的影子和香味……这一天,似乎空气中也布满了粉红色的泡泡。

“导师密切关注本领域最重要的发展前沿。导师设计和研制国际顶尖的仪器装备,然后带领团队开展强力攻关。”“刚进入科研领域,我们可能并不知道对哪个方向感兴趣,只有多学多看才知道自己想要什么,接触不同研究的过程也是寻找自己兴趣点的过程。”

位于中科院物理所A楼一楼的纳米物理与器件实验室,大约30平方米,高鸿钧团队自主设计、集成研制的极低温-强磁场-扫描探针显微系统占据着房间三分之二的空间,马约拉纳费米子就是在这个设备上观测到的。

寻找马约拉纳费米子:一桩物理学“悬案”终被破解

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