08.17 我能想到最浪漫的事,就是在七夕發一篇Science

過完了柱子,跑完了PCR,收起移液槍,關掉顯微鏡。在實驗記錄上籤下日期時,你的心微微刺痛了一下:“今天是七夕節啊。”

一邊這樣想著,你一邊不自覺地加快了脫下鞋套和白大褂的速度,跟你的寶貝小白鼠說了聲再見,鎖上了實驗室的門。

“今天要早點回家,免得在街上看到一些不該看的東西。”

你急匆匆地回了家,給自己斟上一杯82年的養樂多,刷了一下手機,卻看到這樣一條爆炸性新聞——

中國科學院物理研究所/中國科學院大學高鴻鈞和丁洪領導的聯合研究團隊首次在超導塊體中觀察到了馬約拉納零能模,即馬約拉納任意子,對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要的意義。該項研究於8月17日凌晨在線發表在《科學》(《Science》)雜誌上。

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蒼天啊,你為何要這樣虐我!為什麼同樣是理工男,人家在七夕發《Science》,我卻只能在家二刷《生活大爆炸》!

還有,這個馬拉多納,到底是什麼鬼?

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啥?我什麼時候上《Science》了?

看清楚,不是踢球的馬拉多納好嗎?馬約拉納,是一個跟你一樣孤獨聰明的理論物理學家。

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這才是馬約拉納↑↑↑

出生在意大利西西里島的馬約拉納因為覺得自己長得太醜,從來都沒有交到過女朋友。在1938年左右,他在登上一艘船後,便離奇失蹤。人們經常說,馬約拉納是現實中“薛定諤的貓”,處於生和死的疊加態,關於他的下落,坊間存在著各種離奇的傳聞。

他給世界留下的另一樁著名懸案,則是對馬約拉納費米子的預言。1937年,他預言了自旋為1/2的中性費米子,其反粒子就是它本身,之後人們把這種神奇的粒子稱為馬約拉納費米子。

有些科學家猜測,基本粒子中的中微子,有可能就是馬約拉納費米子。氮素,這一猜測尚沒有得到實驗上的證實。

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大亞灣中微子實驗站

但這並不能阻止科學家的瘋狂搜索。畢竟馬約拉納費米子所具備的一個特性,很可能改寫人類歷史。

當一個馬約拉納費米子被束縛在一“點”上時,它就會…hmmm…生孩子,變成兩個馬約拉納任意子,具有奇特的非阿貝爾統計,可以用來構造拓撲量子比特,應用於自容錯的量子計算機。

這個拓撲量子比特可是hin厲害,要是能造出來,谷歌那些研究量子計算機的科學家可能就要哭了。因為當前制約量子計算機發展的一個重要因素,就是傳統的量子比特特容易受到外界環境干擾,從而導致計算的失敗。

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馬約拉納任意子就是組成拓撲量子比特的“磚塊”,基於它研製的拓撲量子計算機,將具有很強的抗干擾能力,自身帶有高容錯的秉性。因此,在材料中發現馬約拉納任意子對構建高度穩定的量子計算機具有重要意義。

不過,想要在真實的世界中找到馬約拉納費米子,就跟想要找到馬約拉納本納的下落一樣難。

用中科院物理所研究員、國家“千人計劃”入選者丁洪的話說:

“在真實宇宙中證明馬約拉納費米子的存在,比找到暗物質的概率還小。”

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還好,科學家們還有另一根“救命稻草”——固體宇宙。

在“固體宇宙”中,億萬電子通過相互作用形成一種決定材料性質的“準粒子”,準粒子與基本粒子可能會遵循相同的物理規律。

辣麼,準粒子和真正的基本粒子有什麼區別?

北京大學物理學院量子材料科學中心副主任杜瑞瑞說:

“基本粒子是可以獨立存在的;而準粒子不能獨立存在,只能存在於一定的環境中。比如一杯水裡有些氣泡,這些氣泡就是準粒子,你不能把氣泡拿出來。離開這杯水,氣泡就不能存在了。”

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多年來,科學家一直嘗試在凝聚態物質的多種系統中尋找馬約拉納費米子,這已經成為國際科技界激烈競爭的戰略制高點之一。

此前,美國、荷蘭、中國、丹麥等多個研究團隊都曾宣稱找到了馬約拉納任意子或者費米子的證據,但是,他們的實驗,都需要構造異質結構體系,其工藝複雜,並且需要極低溫的條件(小於1K)。

而此次的研究則是第一次在單一塊體的超導材料中發現高純度的馬約拉納任意子,並且能在相對更高的溫度下實現(4K以下),不容易受到其他準粒子的干擾。

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馬約拉納任意子(中科院物理所/國科大供圖)

實驗過程是這樣的:

中科院院士高鴻鈞研究組的博士生王東飛和範朋等與丁洪研究組的博士生孔令元等,利用高鴻鈞研究組自主設計、集成研製的超高真空-極低溫-強磁場-掃描隧道顯微鏡-分子束外延-低能電子衍射聯合系統,對美國布魯克海文國家實驗室顧根大研究組提供的高質量FeTe0.55Se0.45樣品展開了系列探索,並與美國麻省理工學院的傅亮進行了理論合作。

研究發現,在該樣品的磁渦旋中心“點”存在不隨空間位置劈裂的零能束縛態,變溫以及變磁場的數據最終確定位於磁渦旋中心的束縛態即為馬約拉納任意子,並且不與其它的準粒子態混合,馬約拉納成分純度很高。

好了,小編也表示看不太懂,那就看看博士生小哥哥們的實驗照養養眼吧(顏值都有點高,請不要太嫉妒):

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博士生孔令元在實驗中(中科院物理所/國科大供圖)

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博士生範朋在實驗中(中科院物理所/國科大供圖)

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博士生王東飛在實驗中(中科院物理所/國科大供圖)

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博士生朱詩雨在實驗中(中科院物理所/國科大供圖)

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團隊全家福(中科院物理所/國科大供圖)

對於這個成果,物理學界給予了積極的評價:

諾貝爾物理學獎得主、美國科學院院士Anthony James Leggett:

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“你們的實驗比許多以前的實驗更清晰,我相信它是第一個可信的證明體超導體中擁有馬約拉納粒子的證據;如果這個零能峰是馬約拉納的前提是正確的話,這可能會使實現編織容易得多。”

斯坦福大學講席教授、美國科學院院士張首晟:

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“今天丁洪和高鴻鈞教授共同領導的聯合實驗小組宣佈了振奮人心的新發現……這項發現科學意義十分重大,大大推動了鐵基超導的研究與馬約拉納費米子的研究。Fe(Se,Te)是一個本徵系統,許多物理性質優於混合系統,效應存在的溫度較高,不需要極端的超低溫條件。”

麻省理工學院講席教授,美國科學院院士文小剛:

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“丁洪-高鴻鈞團隊及合作團隊在一種鐵基超導材料中,發現了一個更有意思的現象:他們觀察到馬約拉納零模的特徵信號。這使鐵基超導材料有可能應用於構建,對環境干擾免疫的拓撲量子計算機。多年來實驗物理學家一直在瘋狂的搜尋它在真實材料中蹤跡。這次在鐵基超導材料表面觀察到馬約拉納零模的特徵信號,有很高的穩定度,是一個重要的發現。”

中科院院長白春禮也對這項研究給予了高度評價:

“這次在鐵基超導體中發現的馬約拉納任意子純淨度高,能在相對更高的溫度下得以實現,且材料體系簡單,對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要的意義。

中科院努力實踐創新驅動發展戰略,強化使命驅動和責任擔當,聚焦重大科技問題和重大創新領域,致力於實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破,力爭在解決國家‘卡脖子’問題和事關長遠的‘心腹之患’上作出重要的貢獻。

在鐵基超導體中發現馬約拉納任意子,是中科院‘率先行動’計劃實施以來,面向國際科技前沿,加強頂層設計,科學家聯合攻關,取得重大科學成果的範例。”

當然了,能取得這樣重大的成果,實驗的過程也異常艱辛。

高鴻鈞提到,今年春節期間,一名博士生為了做實驗沒有回家過年,於是他的媽媽就來到北京,團隊在做實驗,這位媽媽就給他們做飯,大家一起度過了一個不一樣的新年。

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所以,功夫不負有心人,只要你足夠熱愛科學,科學也會愛上你的。

不過呢,如果你還是執意要追妹子,下面的理工男土味情話請你學起來~~

我能想到最浪漫的事,就是在七夕发一篇Science我能想到最浪漫的事,就是在七夕发一篇Science
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謝耳朵都會說的,你也一定能學會。七夕快樂!

Doi:10.1126/science.aao1797


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