快捷搜索:

澳门新葡8455手机版:马约拉纳费米子,找到了吗

日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

8月21日,收录论文预印本的网站arXiv上发布了一篇关于一维手性马约拉纳费米子与体系电导关系的文章(A mechanism of e^2/2h conductance plateau without 1D chiral Majorana fermions)[1],作者是麻省理工学院教授文小刚和Wenjie Ji。仅一天之后,美国马里兰大学助理教授Jay D. Sau等也在arXiv上发布了一篇关于同一主题的文章[2]。两篇文章都认为,此前王康隆团队的实验发现尚不能成为一维手性马约拉纳费米子存在的直接证据。

编者按:昨天一天,果壳科学人的编辑也被“天使粒子被发现”刷了屏,原本这也是最新科研成果进入大众视野的又一次绝好案例,然而通过研读发表在Science上的原论文,以及对论文作者和相关领域科学家们的采访,我们发现,一些媒体报道的“开启新时代”、“历史性的突破”、“迟早要得到诺贝尔奖”的研究,和科学家们眼中的“一项不错的工作”在事实细节上存在着很大的出入。果壳网科学人认为,科学报道的第一原则是事实准确,而后才是“搞个大新闻”。通过对论文作者以及凝聚态物理学家们的采访,看看专业人士是怎么评论这项研究的。

今年7月,《科学》杂志(Scienece)发表了一篇题为《量子反常霍尔效应绝缘体-超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》(Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure) 的实验论文,文中描述了王康隆团队及合作者们通过对拓扑超导体(由拓扑量子反常霍尔绝缘体(QAHI)薄膜和超导(SC)薄膜构成的混合一维器件,简称为QAHI/SC结)外加电磁场调控的实验,并经由电导测量证明了一维手性马约拉纳费米子的存在。

从昨天早上开始,关于“天使粒子被发现”的报道就刷爆了各个媒体网络。这些报道的研究,发表于今天的《科学》杂志(Science)上。

论文上线后经媒体发酵而走入大众视野,成为了热点新闻并被广泛讨论。同时,一维手性马约拉纳费米子也被赋予了“天使粒子”这一称号。

这篇论文有个非常学术而高冷的标题——《量子反常霍尔效应绝缘体-超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》(Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator– superconductor structure)。

这篇文章也不可避免地在学术界引发了广泛兴趣。不少物理学家开始对天使粒子实验及实验背后的理论基础进行了关注和深入探讨。

图片来源:Science

这其中就包括文小刚团队和Jay D. Sau团队等。

这篇文章中所描述的实验由加州大学洛杉矶分校的王康隆团队(UCLA Device Research Lab (Kang Wang Group))主导,上海科技大学合作,并由加州大学欧文分校、加州大学戴维斯分校协助、斯坦福大学团队的参与。实验中观测到了马约拉纳费米子模存在的证据,同时又极大程度上排除了其他因素的影响,成为马约拉纳准费米子存在的有力证据。

之前的实验说了什么?

时间回到三个月前,加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆团队在论文中报告说,发现了一维手性马约拉纳准费米子。这里所说的“发现”,并不是直接观察到,而是指他们实验中观测到的现象似乎只能用这种准粒子才能解释。

实验团队发现:磁场调控下的拓扑超导体QAHI/SC结中存在半量子化电导平台(G0/2=e^2/2h)。

这个半量子化电导平台非常关键。

在物理学中,电子是费米子,服从的是费米-狄拉克统计规律,即每个量子态中电子的占据数要么是“0”要么是“1”。这意味着电子经由这种量子态所构成的量子通道在器件中传输时,其电导必然是单位电导G0的整数倍。而斯坦福大学教授张首晟团队从理论上证明,含有一维手性马约拉纳费米子的拓扑超导态,则可以出现非整数个单位的电导,比如半量子化电导平台。

天使粒子会导致半量子化电导平台,但半量子化电导平台的存在能否说明体系中含有天使粒子呢?这个反推不一定能成立!

这是一个充分非必要条件的问题。

为了进一步解决这个问题,香港科技大学副教授K. T. Law等人进行了相应的理论研究和计算,并得出结论,这个反推关系是成立的[4]。相关论文于今年7月发表在《物理评论B》(Physical Review B)上。

基于张首晟的理论结果和Law的计算支持,实验团队认为他们在实验上发现的这个半量子化电导平台源于天使粒子(即一维手性马约拉纳费米子)[1]。也就是说,通过观测结果,他们反向推断得出测量到的是天使粒子的结论,即他们在实验中找到了天使粒子。

文章的第一作者,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的何庆林是这样解释这次研究的:“本次研究是利用了反常量子霍尔绝缘体(quantum anomalous Hall insulator)与超导体(superconductor)的耦合机制而形成一种新的拓扑量子态,称为拓扑超导体(topological superconductor)。UCLA团队利用分子束外延技术,制备了只有6纳米厚的反常量子霍尔绝缘体薄膜,然后在表层沉积超导体后将样品冷却至接近绝对零度,通过外加电场和磁场的调控,测试样品的量子电导,来证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,因此此工作是世界上首次实验证明这种粒子存在的最有力的证据。

科学界的广泛关注

论文发出后,无论是普通大众还是物理学家,都对其产生了浓厚的兴趣。因为自从马约拉纳提出以他命名的马约拉纳费米子之后,大家辛苦搜寻了80年,还没找到。这次的发现被认为是结束了80年的漫长搜寻。(其实这次实验并没有找到马约拉纳提出的马约拉纳费米子。因这次宣称发现的是一维手性马约拉纳费米子,和马约拉纳提出的三维马约拉纳费米子是不同的东西。)

在三维或者更高维体系中,粒子要么是玻色子要么是费米子,服从的要么是玻色-爱因斯坦统计要么是费米-狄拉克统计规律;而在含有拓扑序的低维体系中,可能存在人们称之为任意子的准粒子,它们具有分数自由度,服从的是界于玻色-爱因斯坦统计和费米-狄拉克统计之间的阿贝尔统计或非阿贝尔统计规律。

文小刚在1991的一个工作中指出,一维手性马约拉纳费米子(即天使粒子)可以出现于有些二维量子材料的边界上。他进一步指出,边界上天使粒子的出现,意味着材料体中存在非阿贝尔任意子(服从非阿贝尔分数统计),其可以稳定编码量子信息。因此,如果能在二维量子体系中发现并制备出非阿贝尔任意子,对拓扑量子计算机具有非常重要的理论意义和实用价值

实验团队的观测结果犹如投石入水,吸引了人们的目光。而广泛的关注自然带来广泛的讨论和研究,物理学家们纷纷将注意力转向这一方向,于是在arXiv上连续出现相关内容的文章也就不足为奇。

“我是在王康隆的文章正式发表之后才开始注意到这个工作的。”文小刚在采访中对果壳网科学人说,“王康隆的文章正式发表以后,受到了很大的关注。大家开始仔细地想这个问题,所以不同的小组做仔细的计算,隔天发表文章,一点儿也不意外。”

“今年早些时候,上海交通大学的贾金锋团队也发表了关于‘发现马约拉纳费米子’(The discovery of Majorana fermion)的工作。贾教授团队的工作是马约拉纳费米子的零维版,主要通过扫描显微镜测试;我们研究的是马约拉纳费米子的一维版,主要是做成电子器件来进行宏观电磁测试。

两篇先后在arXiv上发布的新文章

文小刚等人注意到,Law等人在文章中提到了一个不需要天使粒子而导致半整数电导的物理机制,但并没有进行仔细地理论计算就否定了这种机制。基于这个机制所计算的具体结果会是怎样的呢?Law的否定是否有些草率呢?基于这些疑惑,文小刚等人基于该机制进行了仔细计算,结果发现如果反常霍尔膜(QAHI)与超导膜(SC)之间能形成良好的电学连接,无论体系边界上是否有天使粒子,体系都具有完美的半量子化电导平台,即半量子化电导平台的存在并不要求体系一定非处于马约拉纳费米子零模不可。实验上测量到的半量子化电导平台不能成为发现马约拉纳费米子零模存在的直接证据[2]

尔后,文小刚等还发现:

1)在实验条件下,量子反常霍尔膜与超导膜之间接触电阻的确可以很小,并推导出了相应的计算公式;2)只要接触电阻很小,体系在高温条件下的也具有半量子化电导平台,因此半量子化电导平台是接触良好的这种体系的基本特征;
3)理论计算的电导-磁场曲线与实验发现非常接近。

文小刚等人根据理论结果指出,无论有没有“天使粒子”,都可观察到半量子化平台。也就是说,这样的实验结果并不能证明发现了天使粒子

 “Law提出的这个机制很多人都知道,实际上王康隆文章的审稿人也提到了的。”文小刚说,“但没有详细的计算,以致Law觉得这个机制在细节上应与实验不符。我们的计算表明这个机制在细节上也可以跟实验非常符合。”

得到这一结果后,文小刚等人将文章发布在了arXiv上。arXiv是一个收集物理学、数学、计算机科学和生物学论文预印本的网站,不少科学家都习惯在将论文提交至学术期刊前,先上传到arXiv上。尽管arXiv上的文章并未经过同行评议,但只有经过“认可”的作者才能上传论文,作者们对自己的文章也大多保持严谨的态度。

相隔一天后,Jay D. Sau等在arXiv上发布了另一篇文章。文中首先建立了一个由超导和两反常量子霍尔绝缘体构成的三明治型异质结体系(QAHI/SC/QAHI),然后采用线性响应理论和Landauer-Buttiker公式计算了体系的电导。结果发现结构无序引起的安德列夫散射可直接导致半量子化电导平台的出现[2]。Sau等人的结论与文小刚等人的结论类似,即不能在半量子化电导平台与天使粒子之间划上等号。

澳门新葡8455手机版 1QAHI/SC/ QAHI三明治型异质结。图片来源:参考文献[3]

其实Sau等人的这种三明治结构来源于Law等人的论文,Law等人也在文章中指出,如果这种三明治结中的超导可形成孤岛,体系可具有非常接近于半量子化的电导平台[4]

“理论上,马约拉纳费米子应当出现量子化现象,但包括目前世界上还没有报道这一现象,而我们组是第一个做出来的量子化现象。”

本文由澳门新葡8455手机版发布于澳门新葡8455手机版,转载请注明出处:澳门新葡8455手机版:马约拉纳费米子,找到了吗

关键词:

太空瞭望530天,它看到暗物质了吗

悟空传回了好消息! 它看不见摸不着,质量却是宇宙中可见物质的5倍;它不发光不发热,却影响着宇宙的归宿。它是...

详细>>

我要去西边你却要往北走,为何中国飞往美国的

有人问了本人八个难点: 问:为什么中华(hé zhōng huá卡塔尔(英语:State of Qatar)夏族民共和海外出美利坚联邦合众国...

详细>>

澳门新葡8455手机版:彪悍中年,星体的两大终端

天才少年 著名的物理学家、天文物理学家钱德拉塞卡出身于印度科学名门。他的叔叔拉曼是全亚洲第一个诺贝尔科学...

详细>>

的超材料诞生

从上边压缩具备手性的三个维度弹性超材质引致其发生了扭转(以致宽广的轴向压缩和横向拉伸或大涨)。最暗的淡...

详细>>