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隐藏80年的“马约拉纳粒子” 为何现身上海

贾金峰教授在马约拉纳零能量模式下观察马约拉纳费米子,实验室艺术家想象的基础主要是基于其能量为零的特性。上海交通大学贾金峰团队不仅研究了零能量,还重点关注了马约拉纳费米子具有自旋特性这一关键点,因此研究结论更有说服力。 6月22日,《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了上海交通大学贾金峰团队的研究报告。通过独特的材料科学方法和检测仪器,贾金峰团队观察到了马约拉纳费米子存在的直接证据。自 1937 年物理学家做出预测以来,自旋极化电流现象是实验室中首次确证马约拉纳粒子的存在。马约拉纳消失了,他的粒子也消失了。 1937 年,马约拉纳认为​​如果它是一个电中性粒子,反粒子不就是它本身吗?马约拉纳重写了狄拉克方程,添加了这个中性粒子。意大利理论物理学家埃雷托·马约拉纳预言,一定有一个粒子与其反粒子相同。马约拉纳粒子的概念诞生了,它给物理世界增加了很多可能性。 1927年,伟大的学者狄拉克提出了反粒子方程。狄拉克说,反粒子是一种看起来像正粒子但带有相反电荷的东西。例如,电子的反粒子(带负电)是正电子,质子的反粒子是反质子,中子是反中子(以上都属于费米子大家族)。只要粒子和反粒子碰撞在一起,它们就会一起消失并发出一束光。几年后,狄拉克的理论得到了实验证实。 1937 年,马约拉纳认为​​如果它是一个电中性粒子,反粒子不就是它本身吗?马约拉纳重写了狄拉克的方程来添加这个中性粒子。他还认为中微子可能属于这一类。因为宇宙中的正负粒子总是一一对应的,而且一碰撞就完蛋了,物理学家想知道为什么宇宙中还剩下这么多东西。而马约拉纳想到的那个粒子是愿意和平共处的,所以我们不禁想:也许宇宙中的大部分物质都是由马约拉纳粒子组成的!可怜的马约拉纳,1938年,也是他在32岁时莫名失踪。后来,当粉丝们回忆起这位神人时,才发现,在他从事物理研究的短短五年时间里,他对很多重大课题都有着闪光的直觉,提出了很多想法。所以今天仍然有很多以马约拉纳为主角的科幻小说或电影;他还出现在一本科幻漫画书中,其中马约拉纳被外星人捡走了。有些人在电线上发现马约拉纳粒子。其他研究团队主要根据其能量为零的特性进行观察,而零能量并不能完全证明马约拉纳费米子的存在,这也是为什么很多研究团队得出的结论颇具争议。各种基本粒子中不存在马约拉纳费米子,我们也不知道中微子是否是马约拉纳费米子。寻找一匹马Yorana 费米子,每个人都想过去凝聚态物理去寻找它们。在贾金峰带领的科研团队宣布发现马约拉纳粒子之前,美国和荷兰的两个研究小组已经声称发现了它。例如,荷兰的 Kovenhof 团队使用一种特殊的金属纳米线来连接超导电路,然后将其暴露在磁场中。测量了纳米线的电导率,结果是当电压为零时,电导率有一个峰值。科学家们推测,纳米线和超导体之间的接触区域的每一端都有两个马约拉纳粒子。他们改变了磁场的方向,检查峰的到达和离开,正如马约拉纳粒子所预期的那样。普林斯顿大学的研究人员用一根长长的铁丝接触极冷的铅,在超导状态的铁丝两端检测到中性信号,认为这是马约拉纳粒子。然而,上述结果遭到当局质疑。贾金峰表示,其他研究团队观察马约拉纳费米子的依据主要是基于其能量为零的特性。而零能量并不能完全证明马约拉纳费米子的存在,这也是很多研究团队的结论存在争议的原因。贾金峰团队不仅研究了零能的特殊性质,还重点研究了马约拉纳费米子自旋性质的关键点。自旋特性不受环境因素影响,是粒子本身的特性,因此研究结论具有说服力。对于贾金峰团队的实验,PRL的审稿人和MIT的专家Patrick Li和付亮都表示,这个结果是迄今为止最有说服力的证据。不能把超导体放在上面吗?这是相反的方式来到上海交通大学的团队依次探索,将超导材料置于其下,并在其上生长出拓扑绝缘体薄膜。这一巧妙的设计为寻找马约拉纳费米子奠定了物质基础。理论预测,拓扑超导可以通过将超导材料放置在拓扑绝缘体之上来实现。贾金峰说,这件事听起来很简单,但在材料科学领域却是个大难题。此外,由于上面的超导材料,马约拉纳费米子很难被探测到。上海交通大学团队经过多次实验,依次探索,将超导材料放在下方,并在其上生长出拓扑绝缘体薄膜,使拓扑绝缘体薄膜表面成为拓扑超导体。这个巧妙的设计是为了找到马约拉纳。费米子为材料奠定了基础。贾金峰表示,将最好的材料生长设备与表征能力最强的设备结合起来,是一项伟大的创新。薛其坤院士团队和我们交通大学团队在薄膜生长的精准控制方面已经是世界领先。正因为如此,我们才有能力研究这个项目。贾金峰说,另一个创新是第一次用最简单的方法制造出自然界不存在的拓扑超导体。这种拓扑超导体为我们提供了独特的材料体系,使我们能够将各种先进的技术方法用于普通超导体和拓扑超导体。超导体观察、研究、比较并寻找差异以找到马约拉纳费米子的迹象。马约拉纳粒子:适合量子计算机的单位 马约拉纳费米子是电中性的,很少与环境相互作用,这些特性使它们成为理想的想想量子信息编码载体。 Majorana 费米子如此有趣的原因之一是因为它是构建量子计算机的完美选择之一。普通计算机中的信息是以位存储的,每个位被编码为0或1;量子计算机中的信息位可以同时以0和1的形式存在,但这种叠加态非常脆弱。为此,物理学家一直在寻找使量子比特更稳定的方法。马约拉纳费米子是电中性的,很少与环境相互作用,这些特性使它们成为编码量子信息的理想载体。另一方面,凝聚态物理学的成功不会停止在宇宙中寻找马约拉纳粒子。准确地说,在超导体中检测到的马约拉纳粒子是准粒子。贾金峰说,它其实是一个粒子群,就像一支风格统一的足球队。宇宙学家正在寻找的马约拉纳粒子是一种中性的超对称费米子。你可以把它理解为一个大中微子。很多人认为它在宇宙中可能是看不见摸不着的,但有质量。的暗物质。中国未来的大型中微子探测设施可能有助于弄清楚这一点。