[科普中国]-宇宙中的神秘粒子，竟在计算机中现出踪迹

作者：荒唐，凝聚态物理方向博士

审核专家：丁洪，中国科学院物理研究所研究员，北京凝聚态国家实验室常务副主任，首席科学家

1928年，英国物理学家保罗·狄拉克提出了狄拉克方程，这个方程预言了反粒子的存在。随后1932年卡尔·安德森发现了正电子，证明该理论的正确性。在物理学中，把反粒子于自身不同的费米子成为狄拉克费米子。1937年，埃托雷·马约拉纳发现一种反粒子，其本身的假想费米子也满足洛伦兹不变性，后来被命名为马约拉纳费米子。然而，迄今为止在宇宙中并没有找到一个真实粒子是马约拉纳费米子。

(供图：作者)

虽然并没有找到真实的马约拉纳费米子，但把凝聚态物理中涉及的大量电子类比于宇宙中存在的大量粒子，在这个新的“宇宙”中，发现了由大量粒子集体运动模式具有马约拉纳费米子的行为，通常称为马约拉纳费束缚态(Majorana bound states)、马约拉纳零能模(Majorana zero-mode)等。

(“悟空”号暗物质卫星。图片来源：news.cn)

基于晶体管工艺的传统计算机逐渐走到了理论尽头。人类活动产生了大量的数据已经远超过了传统计算机的能力范围。量子计算具有超越经典计算的并行运算能力，其计算能力远超过传统计算机，成为了现阶段被公认的最有潜力的解决方案。拓扑量子计算具有鲁棒性、高容错性的特点，理论上在实现量子计算具有一定的优势。因此基于马约拉纳束缚态的拓扑量子计算成为了一个研究热点。马约拉纳束缚态服从非阿贝尔任意子统计(Non-Abelian anyon),它具有最后的结果与操作顺序有关的特点。这就提供了丰富的操作空间，使得基于马约拉纳束缚态编织操作构造的量子计算机具有更加丰富的功能。目前，微软以投入大量资金研究拓扑量子计算。

(供图：作者)

理论上预言在P波超导体的边缘存在马约拉纳束缚态，然而在实验上实现P波超导有很大的困难。2007年，宾夕法尼亚大学的Liang Fu和C. L. Kane预言利用s波超导体加上非简并狄拉克拓扑表面态，能够产生马约拉纳束缚态。之后，实验上在s波超导体与拓扑绝缘体、纳米线、量子反常霍尔绝缘体、原子链的异质结结构体系中， 证明了马约拉纳束缚态的存在。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心、中国科学院大学研究团队（简称研究团队）基于之前对单晶FeTe 0.55 Se 0.45 的能带表征、理论计算为基础，利用极低温强磁场扫描隧道显微镜对单晶FeTe 0.55 Se 0.45 进行测量，发现在磁通涡旋中存在零能的马约拉纳束缚态，并且其空间位置不随磁通涡旋位置的变化而变化。绝大多数的零能峰在约3K的时候消失，这个温度高于之前绝大多数马约拉纳束缚态实验，意味着 有可能在液氦温区实现对马约拉纳束缚态的操纵。

(供图：作者)

在新的“宇宙”中，越来越多的实验证明存在马约拉纳束缚态。研究团队的这项研究表明，有可能在别的材料中，在更高温度，存在马约拉纳束缚态，这将推动量子计算机的实现。关于马约拉纳束缚态的研究，对回答真实宇宙中马约拉纳费米子真身在哪等一系列问题具有启发意义。

在铁基超导材料中发现的马约拉纳束缚态