麻省理工学院朱棣文教授 信用:CC0公共领域 麻省理工学院和其他地方的物理学家在一种普通金属——金——的表面观察到了Majorana费米子的证据——这种粒子理论上也是它们自己的反粒子
这是第一次在一个可能被放大的平台上看到马略拉纳费米子
发表在《美国国家科学院院刊》上的这一结果，是朝着将这些粒子隔离为用于量子计算的稳定、防错量子比特迈出的重要一步
在粒子物理学中，费米子是一类基本粒子，包括电子、质子、中子和夸克，所有这些构成了物质的组成部分
在很大程度上，这些粒子被认为是狄拉克费米子，以英国物理学家保罗·狄拉克的名字命名。他首先预言所有费米基本粒子在宇宙的某个地方都应该有一个对应的反粒子——本质上是一对带相反电荷的同卵双胞胎
1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳扩展了狄拉克的理论，预言在费米子中，应该有一些粒子，自命名为马略拉纳费米子以来，无法与它们的反粒子区分开来
神秘的是，这位物理学家在做出预测一年后，在意大利海岸的一次渡轮旅行中失踪了
从那以后，科学家们一直在寻找马略拉那神秘的粒子
有人提出，但未被证实，中微子可能是一种马约拉纳粒子
另一方面，理论家们预测，在特殊条件下，Majorana费米子也可能存在于固体中
现在，麻省理工学院领导的团队在他们设计和制造的材料系统中观察到了Majorana费米子的证据，该系统由生长在超导材料钒上的金纳米线组成，并点缀着硫化铕的小铁磁“岛”
当研究人员扫描岛屿附近的表面时，他们在黄金的最上面看到了接近零能量的信号尖峰，根据理论，这应该只由马略拉纳费米子对产生
麻省理工学院物理系的高级研究科学家贾加迪什·穆德拉说:“马约拉纳费米能是这些奇异的东西，长期以来一直是人们梦寐以求的，现在我们可以在一种非常简单的材料——黄金中看到它们。”
“我们已经展示了它们的存在，稳定且易于扩展
" 麻省理工学院威廉姆和艾玛·罗杰斯物理学教授、合著者李雅达补充道:“下一步将是把这些物体做成量子位，这将是向实用量子计算的巨大进步。”
李和穆德拉的合著者包括前麻省理工学院博士后和第一作者苏吉特·马娜(目前在德里印度理工学院任教)，前加州大学河滨分校的麻省理工学院博士后彭伟，以及香港科技大学的谢应明和金屯律师
高危 如果能加以利用，Majorana费米子将是量子比特或量子计算机的独立计算单元的理想选择
这个想法是，一个量子位将由成对的马约纳费米子组合而成，每一个都将与其伙伴分离
如果噪声误差影响到这对成员中的一个，另一个应该不受影响，从而保持量子位的完整性，并使它能够正确地执行计算
科学家们一直在寻找半导体中的Majorana费米子，这种材料用于传统的基于晶体管的计算
在他们的实验中，研究人员将半导体和超导体结合在一起，超导体是一种电子可以无阻力通过的材料
这种结合赋予了传统半导体超导的特性，物理学家认为这会导致半导体中的粒子分裂，形成一对马约纳费米子
“有几个物质平台，人们认为他们已经看到了马略拉那粒子，”李说
“证据越来越有力，但仍未得到100%的证实
" 此外，迄今为止，基于半导体的装置很难扩大规模来生产实际量子计算机所需的数千或数百万个量子位，因为它们需要生长非常精确的半导体材料晶体，而将这些晶体转化为高质量的超导体非常具有挑战性
大约十年前，李和他的研究生安德鲁·波特有了一个想法:也许物理学家能够观察到金属中的马略拉纳费米子，这种材料在超导体附近很容易变成超导的
科学家通常将包括金在内的金属制成超导体
李的想法是看看金的表面状态——它的最顶层原子——是否可以被制成超导的
如果这能够实现，那么黄金可以作为一个干净的、原子级精确的系统，研究人员可以在其中观察马约纳费米子
基于穆德拉之前对铁磁性绝缘体的研究，李提出，如果把它放在金的超导表面状态上，那么研究人员应该有很大机会清楚地看到马约拉纳费米子的特征
“当我们第一次提出这个想法时，我无法说服许多实验学家去尝试，因为这项技术令人望而生畏，”李说，他最终与穆德拉的实验小组合作，从邓普顿基金会获得了实现这个设计的关键资金
“贾加迪什和彭真的得多此一举了
投身其中是非常勇敢的，因为这确实是一个高风险，但我们认为这是一个高回报的事情
" 《寻找马略拉那》 在过去的几年里，研究人员已经描述了金的表面状态，并证明它可以作为观察马略拉纳费米子的平台，之后该小组开始制造李多年前设想的装置
他们首先生长了一片超导钒，在上面覆盖了大约4纳米厚的金纳米线层
他们测试了金最顶层的导电性，发现它确实在钒附近变成了超导的
然后，他们沉积在硫化铕的金纳米线“岛”上，硫化铕是一种铁磁材料，能够提供所需的内部磁场来产生Majorana费米子
研究小组随后施加一个微小的电压，并使用扫描隧道显微镜，这是一种特殊的技术，使研究人员能够扫描黄金表面每个岛屿周围的能谱
穆德拉和他的同事随后寻找一种非常特殊的能量信号，如果存在的话，这种信号只有马略拉纳费米子才能产生
在任何超导材料中，电子在一定的能量范围内通过
然而，这里有一个沙漠，或者说“能隙”，在那里不应该有电子
如果在这个间隙中有一个尖峰，它很可能是马略拉费米子的信号
通过查看他们的数据，研究人员在沿着磁场方向的几个岛屿的相对两端观察到了这个能量间隙内的尖峰，这是Majorana费米子对的清晰信号
“正如理论预测的那样，我们只在岛的两边看到这种尖峰，”穆德拉说
“别的地方，你看不到
" “在我的谈话中，我想说我们正在金海中的一个岛上找到马略拉那，”李补充道
穆德拉说，该团队的设置只需要三层——夹在铁磁体和超导体之间的金——就是一个“容易实现的稳定系统”，与传统的基于半导体的量子位生成方法相比，该系统在经济上也应该是可扩展的
“看到一对Majorana费米子是制造量子比特的重要一步，”魏说
“下一步是用这些粒子制造一个量子位，我们现在对如何着手做这件事有了一些想法
"
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