Science：能夠操控馬約拉納准粒子的新技術，或將推進量子計算
普林斯頓大學的研究人員探測到了穩定的馬約拉納准粒子，並找到了「開啟「和」關閉」它的方法。這為將馬約拉納准粒子用於量子計算提供了新的可能。
圖為掃描隧道顯微鏡成像得到的馬約拉納准粒子（綠色尖峰），產生於拓撲材料邊緣隧道（黃色區域），即在超導體表面的鉍薄層邊緣的原子台階處。實驗在微小磁體和邊緣隧道之間的界面上探測到了穩定的馬約拉納准粒子，但它們只有在小磁體的磁化方向與隧道方向平行時才會出現。來源：普林斯頓大學 Yazdani 實驗室
來源 EurekAlert
翻譯 Helena
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馬約拉納粒子是最令人著迷的物理難題之一，正如賦予它名字的那位義大利科學家一樣神秘。它的名聲源自其特殊的屬性——它是唯一一種反粒子即為自身的粒子，並且它還具備未來用於量子計算的潛質。
近年來，包括普林斯頓大學（Princeton University）團隊在內的大量課題組報告了在各類材料中發現馬約拉納粒子，但真正的挑戰在於如何操控它為量子計算效力。
本周發表的一項新研究中，普林斯頓大學團隊提出了在一種方法，能夠在某種裝置中控制馬約拉納准粒子，並使其更加穩定存在。這個裝置由超導體和拓撲絕緣體材料組成，能夠讓馬約拉納粒子更好地抵抗外部環境中的高溫或震動帶來的破壞。此外，團隊提出了一種利用集成在裝置中的小磁鐵「開啟」和「關閉」馬約拉納准粒子的方法。該研究被發表於Science期刊上。
「通過這項新研究，我們現在多了一種處理材料中馬約拉納准粒子的新方法。」物理學教授、研究資深作者 Ali Yazdani 說，「我們可以通過成像證明它們粒子的存在，同時識別出它們被預言的特性。」
馬約拉納粒子這個名字是為紀念物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）而起的，他曾於 1937 年預言了這種神奇粒子的存在，而僅僅一年後就神秘消失於義大利沿岸的一次輪渡旅行中。1928 年物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）預言電子一定會有其反粒子，後來人們發現了正電子；基於同樣的邏輯，馬約拉納提出，理論上存在一種粒子，它的反粒子就是它自己。
通常，當物質與反物質相遇時會發生湮滅，並伴隨劇烈的能量釋放。但是當成對的馬約拉納粒子分別出現在特殊設計的線路兩端時，它們的表現卻相對穩定，並且與周圍環境僅發生微弱的相互作用。這樣的粒子對使得在兩個不同地點存放量子信息成為可能：它們具有較強的抗干擾能力，因為改變數子狀態需要同時對線路兩端的粒子進行操作。
這種能力引起了技術人員的關注，他們想要找到一種方法，以更加穩定地產生量子位，即量子計算的基本單位。量子系統或許能夠解決當今計算機無法解決的問題，因而備受推崇，但它需要維持一種稱為疊加態的脆弱狀態，這種狀態一旦被破壞，就會帶來整個系統的崩潰。
基於馬約拉納系統的量子計算機將信息存儲於成對的粒子中，並通過讓它們發生相互作用進行計算。計算的結果由馬約拉納粒子間的湮滅決定，這種湮滅要麼導致一個電子的出現（通過電荷進行檢測），要麼什麼也不發生，取決於馬約拉納粒子對如何相互作用。馬約拉納粒子對湮滅的概率結果，構成了其用於量子計算的基礎。
那麼挑戰來了：如何產生並輕鬆控制馬約拉納粒子？它們可能存在的地方之一就是超導基底上單原子層厚度的磁性原子鏈末端。2014 年，Science報告 Yazdani 與合作者採用掃描隧道顯微鏡（STM）針尖對原子進行掃描，以揭示准粒子的存在，在超導體表面的鐵原子鏈兩端發現了馬約拉納粒子。
接下來，該團隊對馬約拉納粒子的量子自旋（電子和其他亞原子粒子具有的一種共同特性）進行了探測。在 2017 年的另一篇Science論文中，研究團隊指出，馬約拉納粒子的自旋特性是一種獨特的信號，可以據此判定一個被測准粒子確實是馬約拉納粒子。
在最新的研究中，普林斯頓團隊探索了另一個被預測存在馬約拉納粒子的地方：與超導體接觸的拓撲絕緣體邊緣形成的隧道中。電子在超導體中暢通無阻，而在拓撲絕緣體中，電子只能沿著材料邊緣運動。
該理論預測，馬約拉納准粒子會在拓撲絕緣體與超導材料體接觸位置的邊緣薄層中產生。超導體的接近使電子可以沿著拓撲絕緣體邊緣無阻流動，邊緣需足夠薄，可被視為一根導線。由於馬約拉納粒子形成於線路兩端，切斷線路應該能夠迫使它們出現。
「這曾經只是一個預測，多年來一直沒有任何進展，」Yazdani 說，「我們決定研究如何實現這種結構，因為它有機會產生更為穩定的馬約拉納粒子，材料不完美或溫度變化都不會對它造成影響。」
該團隊通過在一塊鈮超導體上蒸鍍一層薄薄的鉍拓撲絕緣體實現了這種結構。接下來，他們在上方放置納米尺度的磁性存儲位，以提供磁場，使電子流脫軌，產生相當於切斷線路的效果。最後，團隊用 STM 觀測了該結構。
然而，使用顯微鏡搜尋馬約拉納粒子時，研究人員們一開始卻對眼前的結果產生了困惑。他們時而能看到馬約拉納粒子出現，時而什麼也找不到。經過進一步的研究，他們發現只有當磁性存儲位的磁化方向平行於電子沿通道流動方向的時候，馬約拉納粒子才會出現。
「當我們開始研究小磁鐵的特性時，我們意識到它們是控制參量。」Yazdani 說，「磁性存儲位的朝向決定了馬約拉納粒子出現與否，這就像是一個開關。」
團隊表示，這個系統產生的馬約拉納准粒子有很強的穩定性，因為它的發生能量與系統中可能存在的其他准粒子不同，並且它產生於拓撲邊緣模式下，天然具有抗干擾性。拓撲材料的名字來源於數學中的拓撲學，即描述物體如何通過拉伸或彎折而形變的分支。在拓撲材料中流動的電子在任何的凹陷或缺陷周圍都將繼續保持運動。
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