中科院：科学家首次在超导块体中发现马约拉纳任意子

高鸿钧院士介绍研究成果。孙自法摄

中新网北京8月17日电 (记者 孙自法)由中国科学家领导、中美科研团队合作首次在超导块体中发现马约拉纳任意子这一对未来量子计算机发展具有重要意义的物理研究成果，于北京时间17日凌晨获权威国际学术期刊《科学》(《Science》)在线发表。

中国科学院当天在北京举行专题新闻发布会称，中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧院士和丁洪研究员领导的联合研究团队，利用极低温-强磁场-扫描探针显微系统首次在超导块体中观察到了马约拉纳零能模，即为马约拉纳任意子。该马约拉纳零能模纯净度高，能在相对更高的温度下得以实现，且材料体系简单。

丁洪研究员介绍研究成果 孙自法 摄

据介绍，中国联合研究团队利用高鸿钧研究组自主设计、集成研制的超高真空-极低温-强磁场-扫描隧道显微镜-分子束外延-低能电子衍射联合系统，对美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究组提供的高质量超导块样品展开了系列探索，并与美国麻省理工学院的傅亮进行了理论合作。研究发现，在该样品的磁通涡旋中心“点”存在不随空间位置劈裂的零能束缚态，变温以及变磁场的数据最终确定位于磁通涡旋中心的束缚态即为马约拉纳任意子，并且不与其他的准粒子态混合，马约拉纳成分纯度很高。进一步实验发现该马约拉纳任意子在6T(特斯拉)以下磁场以及4K(零下269.15摄氏度)以下温度都能稳定存在。

这是第一次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子，能在相对高的温度下实现，不容易受到其他准粒子的干扰。同时，这也预示着在其他的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子，为马约拉纳物理研究开辟了新的方向。因此，该成果具有高纯度、高温度且结构简单的特点，更容易实现对马约拉纳任意子的编织操纵，对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。

对于首次在超导块体中发现马约拉纳任意子的研究成果，国际同行也给予高度评价。诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士安东尼·莱格特(Anthony James Legget)认为，这次的实验比许多以前的实验更清晰，相信它是第一个可信的证明超导体中拥有马约那纳粒子的证据。斯坦福大学讲习教授、美国科学院院士张首晟说，这项发现科学意义十分重大，大大推动了铁基超导的研究与马约拉纳费米子的研究。麻省理工学院讲习教授、美国科学院院士文小刚表示，这是一个重要的发现，使铁基超导材料有可能应用于构建对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)预言了自旋为1/2的中性费米子，其反粒子是它本身，并认为是一种基本粒子。之后人们把这种神奇的粒子称为马约拉纳费米子，并猜测构成物质世界的基本粒子中的中微子有可能是马约拉纳费米子，但目前尚未得到实验上的证实。近年来，理论研究表明在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子，被称为“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。更神奇的是，当一个马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时，变成两个马约拉纳任意子，具有奇特的非阿贝尔统计，可以用来构造拓扑量子比特，应用于自容错的量子计算机。(完)