“神秘”Majorana费米子或将现身

量子计算机原理。图片来源：photo.hanyu.iciba.com 1937年，随着量子力学的兴起，意大利理论物理学家Ettore Majorana提出可能存在一种新型的奇特粒子，即现在名为Majorana费米子的粒子。经过75年的追寻，研究人员近期终于发现了Majorana费米子存在的一个可靠证据。而这一发现就如同找到了一把通往拓扑量子计算时代的 “钥匙”。早在Majorana之前，奥地利物理学家Erwin Schr?觟dinger就提出了描写量子行动和互动的方程式。英国物理学家Paul Dirac点缀了该方程式，使其能够适用于费米子，并且将量子力学和爱因斯坦的相对论结合在了一起。同时Dirac的研究还指出了反物质的存在，并暗示某些粒子可以作为其本身的反粒子，如光子，但费米子却被认为并非此类粒子。后来，Majorana延伸了Dirac方程式，认为可能存在一种新的费米子能够作为其本身的反粒子，这种粒子就是Majorana费米子。然而，Majorana费米子始终披着神秘面纱，从20世纪到21世纪，全世界物理学家一直在努力寻找它。Majorana也曾提出，一种中微子——电中性粒子的些微聚集，可能刚好符合他提出的这种假设粒子的要求。几十年过去了，理论物理学家发现调整大量电子的移动也许能够模仿Majorana费米子，而且，被称为“准粒子”的这些集体运动的表现与同类型的基本粒子非常像。日前，荷兰代尔夫特理工大学物理学家Leo Kouwenhoven和同事发现了这些准粒子的迹象，并将研究报告在线发表在《科学》上。 Kouwenhoven研究小组专门设计制造了实验使用的晶体管。早前的理论假设就提到，如果其中一个电极是超导体，并且电流在磁场中流过一个特殊的半导体纳米线，就可能促使电子在纳米线的另一端表现得像Majorana费米子一般。理论还进一步指出，如果研究者试图在磁场外从标准电极中输送电流到超导电极，电子可能在超导体中反弹，因此超导电极中检测不到电流。但是，如果磁场开启，将能触发Majorana费米子的存在，这样电子将会进入超导体，并在电流中出现跳跃。 Kouwenhoven研究小组则发现了这一电流尖峰。而且，当研究人员改变诱发Majorana费米子的任何一个条件时，例如关闭磁场，用金属电极更换超导电极，第二个电极中的电流尖峰就会消失不见。然而，这一结果并不能直接证实Majorana费米子的发现。美国加利福尼亚大学理论物理学家Jason Alicea认为，这个荷兰研究小组为消除其他可能的解释做出了非常引人瞩目的工作。但是，他也指出，该研究并不能完全证实Majorana费米子的存在。如果找到了这种“神奇粒子”，将使在固体中实现拓扑量子计算成为可能，人类也将进入拓扑量子计算时代。因为当相互移动两个Majorana费米子时，它们能够“记得”自己以前的位置，这一性质可以用来编码量子级别数据。（来源：中国科学报唐凤）