如何讓冰和蒸汽同時存在？凝聚態物理學與馬約拉納費米子！

水-固態冰、液態水和水蒸氣的不同相的結合，需要一些努力才能在實驗中實現。例如，如果你想把冰放在蒸汽旁邊，必須不斷地冷卻水來保持固態，同時加熱水來保持氣態（這是不是很困難？）。對於凝聚態物理學家來說，在同一體系中創造不同條件的能力是可取的，因為有趣的現象和性質經常出現在兩相之間的界面上。目前人們感興趣的是馬約拉納費米子可能出現在這些邊界附近的條件。馬約拉納費米子是一種類似粒子的激發態，稱為準粒子，它是單個電子分裂成兩半的結果。

博科園-科學科普：換句話說，一個電子變成一對糾纏(鏈接)的兩個馬約納准粒子，無論它們之間的距離有多遠，這個鏈接都會持續存在。科學家們希望利用物理上分離在物質中的馬約拉納費米子，以量子位元的形式可靠地存儲信息，量子位元是量子計算機的基石。馬約拉納費米子奇特的特性（包括對電磁場和其他環境「噪音」高度不敏感）使它們成為遠距離無損攜帶信息的理想選擇。然而，迄今為止，馬約拉納費米子只在極端條件下被發現，包括接近絕對零度的低溫(零下459華氏度)和高磁場下。

儘管它們被「拓撲」保護，不受局部原子雜質、無序和存在於所有材料中的缺陷影響。它們的空間特性保持不變，即使材料彎曲、扭曲、拉伸或以其他方式扭曲)，它們不能在強擾動下存活。此外，它們能工作的溫度範圍非常小。由於這些原因，馬約拉納費米子還不能進行實際的技術應用。現在，由美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)領導的一個物理學家團隊，包括來自中國、德國和荷蘭的合作者，提出了一種新的理論方法，可以產生更多的馬約拉納費米子。

布魯克黑文實驗室凝聚態物理與材料科學系的Neil Robinson、Robert Konik、Alexei Tsvelik和Andreas Weichselbaum(從左到右)。圖片：Brookhaven National Laboratory

根據計算，正如發表在《物理評論快報》上的一篇論文所描述：這些馬約拉納費米子出現在更高的溫度下(以許多數量級計算)，基本上不受無序和噪音的影響。即使它們沒有受到拓撲保護，但如果擾動在空間中緩慢地從一個點變化到另一個點，它們仍然可以存在。布魯克黑文實驗室凝聚態物理與材料科學(CMPMS)部門凝聚態理論小組的高級科學家和領導者，也是研究的作者之一Alexei Tsvelik說：我們的數值和分析計算提供了證據，表明馬約拉納費米子存在於磁性材料的邊界上。

它們具有不同的磁相，或電子自旋的方向，彼此相鄰。還確定了馬約拉納費米子的數量，如果把某些磁相結合起來，應該期望得到多少個費米子。在理論研究中，科學家們把注意力集中在一種叫做自旋階梯的磁性材料上。自旋階梯是由原子構成的晶體，具有三維結構，再細分成看起來像階梯的成對鏈。儘管科學家們多年來一直在研究自旋階梯系統的性質，並預計它們會產生馬約拉納費米子，但不知道會產生多少。為了進行計算，科學家應用量子場論的數學框架來描述基本粒子的基本物理

拓撲量子位的示意圖

以及一種數值方法(密度矩陣重整化群)來模擬電子行為具有強相關性的量子系統。該研究的合作者、CMPMS部門主席羅伯特·科尼克說：驚訝地發現，對於特定的磁相結構，可以在每個邊界產生不止一個馬約拉納費米子。馬約拉納費米子要想在量子計算中發揮實際作用，就需要大量產生。計算專家認為，量子計算機能夠解決經典計算機無法解決的問題的最小閾值是100個量子位。馬約拉納費米子也必須是可移動的，這樣它們才能糾纏在一起。

該團隊計劃繼續理論研究，並利用量子點(納米半導體粒子)或捕獲(受限)離子等工程系統進行實驗。與實際材料的性質相比，工程材料的性質可以更容易地調整和操縱，從而引入馬約阿納費米子可能出現的不同相界。科尼克說：目前還不清楚下一代量子計算機將由什麼材料製成，我們正試圖找到更好的替代品來替代目前這一代的低溫超導體，就像硅在晶體管中取代鍺一樣，現在處於如此早期的階段，需要探索所有可能的可能性。

博科園-科學科普｜研究/來自: 布魯克海文國家實驗室/Ariana Tantillo

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.027201

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