@ 2017.10.20 , 22:00

马约拉纳费米子的特殊性质

马约拉纳费米子的特殊性质
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最新发现的马约拉纳费米子(Majorana)的特殊性质,为研究人员提供了一个简单的方式,从众多粒子中辨识出真正的马约拉纳费米子。

马约拉纳费米子是以与自身互为反粒子而闻名于世,这一特性使得它们获得了充当某一类量子计算中量子位的提名。但到目前为止,从众多大同小异的旁系费米子中将其识别出来绝非轻而易举的事情。

由美国普林斯顿大学的物理学家领导的一组研究人员发现,分置于一列铁原子两端的一对粒子会产生奇特的自旋。

用扫描隧道显微镜的尖端去检测每个粒子,依据最新发现的这个特性,可以揭示它们是不是赝品。

话说回来,我们本应该把它写成Majorana微粒的。或者用物理学家的术语来说,Majorana zero mode(MZM)。

与亚原子族中的其他费米子(如轻子和夸克)不同,这些异乎寻常的物质其实是众多电子在某些条件下产生的观测性质看起来是粒子的行为。

最终倒是没有太大差别。像其他形式的物质和反物质一样,如果要混合到一起,MZM将以释放出能量的方式彼此湮灭。

自从理论物理学家Ettore Majorana在1937年预言了一种与自身互为反粒子的不带电的纯中性粒子存在之后,这一场寻找纯中性粒子的科学竞赛就已经如同扣动了发令枪的扳机。

电子有反电子——或叫正电子——夸克有反夸克,但到目前为止,还没有人发现哪种费米子是类似MZM具有正反合一性质的。

对大多数实际目的来说,MZMs是最好的。

一种需要使用中性粒子通过2D空间的扭曲路径的强力量子计算机就考虑利用基于MZM这些准粒子的版本。

唯一的技术难题是,有可能制造出属性相近的不同准粒子,彼此混淆。无法有效确认MZM,也就不能保证我们生产出的粒子就是我们所需要的,这使得相关技术一直停滞不前。

几年前,研究人员开发设计了一种在铅晶体表面嵌入铁原子链条形成一维的拓扑超导体的方法,来产生MZMs。

这种铁原子中的电子在电磁场下产生的行为等效于在超导体两端都产生了一个MZM。

为了确保准粒子实际上就是一对MZM,研究人员必须进行一些对照组实验。但即使如此,他们仍然不能肯定那是不是冒牌货。

直到现在,他们发现了它具有独特的自旋属性,可以作为MZM高度可识别的个性签名。

研究人员Andrei Bernevig说:“事实证明,与传统的准粒子不同,Majorana的旋转不会被背景噪音屏蔽。在这个意义上说,这是确认MZM的一个试金石。”

自旋是一种量子性质,描述了粒子的具体自由度,有点像是描述宏观世界里物体是可以上下移动的还是可以前后移动的。

研究人员使用了一种使单个原子相互接近的工具,电子的概率特性使其能够在空间中跳跃或“隧穿”,创造了一个原子间的通道。

通过操纵扫描隧道显微镜的磁场,该通道可以回应微粒的旋转,并提供它们是否是同一种准粒子的信息。

研究人员Ali Yazdani说:“我们的目的是探索MZM一些具体的量子特性,这些实验不仅可以进一步证实它们在拓扑超导体中的存在,而且展现了利用它们的更多可能方式。”

毫无疑问,我们将来会听到更多的关于这种准粒子的发现。

这项研究发表在《Science》。

小科普 费米子是构成存在物质的基础。带电粒子的反粒子是指其他性质相同但是电性相反的粒子;中性粒子的反粒子在一些更复杂的量子数上符号相反。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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