上海交大:年内或找到“马约拉纳费米子”

2012年03月29日 20:54   来源:中国经济网   
    中国经济网上海3月29日讯 (记者 杨学聪) 今天,上海交大物理系贾金锋、钱冬研究组宣布:他们领衔的科研团队在实验室制备出一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特殊人工薄膜。这种特殊的薄膜是产生马约拉纳费米子的必要条件。上海交大科研团队有望在年内实现探测马约拉纳费米子的突破。

    上海交大特别研究员钱冬介绍,如果找到了马约拉纳费米子,将使在固体中实现拓扑量子计算成为可能,这将引发未来电子技术的新一轮革命,人类也将进入拓扑量子计算时代。

    拓扑量子计算会给我们的生活带来哪些变化?以天气预报为例,我们熟悉的天气预报是这样的:某月某日,晴,6-15℃,西北风3-4级。未来的预报会精确到某月某日某分某秒,人们可以清楚地知道下一小时、下一分钟,甚至是下一秒的天气实时情况。只要有了拓扑量子计算机,像实时天气预报这样便捷的生活都将变成现实。

    粒子世界有两大“家族”,一户姓“费”,叫费米子,费米子家的典型代表是电子,它存在于我们日常使用的各种电器中。一户姓“玻”,玻色子家的最常见的代表是光子,也就是我们熟悉的光。玻色子有一个共同的脾性:“翻脸”后还是一家人;而费米子则完全相反,“翻脸”后就成了“陌路人”。

    物理学家认为,任何粒子都有它的双胞胎兄弟,也就是它的反粒子。著名华裔物理学家,诺贝尔奖获得者丁肇中教授就一直在寻找由反粒子组成的反物质。正反物质碰到一起,就会一起消失,变成光。1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预测,自然界中可能存在一类特殊的费米子,它是自己的反粒子,自己是自己的双胞胎兄弟。人们就给它起了个名字叫“马约拉纳费米子”。理论物理学家已经提出了多个“马约拉纳费米子”可能“藏身”的材料体系,其中上海交大低维物理和界面工程实验室贾金锋、钱冬、刘灿华、高春雷四位教授联合攻关的拓扑绝缘体与超导体的界面就是极有可能存在“马约拉纳费米子”的地方。

    钱冬介绍,近年来,随着拓扑绝缘体的问世,国际上掀起了新一轮的在实验上追寻“马约拉纳费米子”的竞赛。上海交大已经制备出最适合探测和操纵“马约拉纳费米子”的人工薄膜系统,有望在年内实现探测“马约拉纳费米子”的突破。

    这种特殊的薄膜,由拓扑绝缘体材料和超导材料复合而成。厚度只有一根头发丝的一万分之一。通过精确控制,将所需材料的原子一层一层的垒起来,最终达到产生“马约拉纳费米子”的必要要求。

    如果把拓扑绝缘体比作台面,把超导材料看作桌子,怎么把台面和桌子有机地合在一块组合成一个更漂亮的桌子?这个看似简单的事情却是物理学领域的一个大难题。上海交大低维物理和界面工程实验室想出了一个解决方法,在拓扑绝缘体与超导体之间插入一种超薄的过渡层,从而形成了一种特殊的人工薄膜,首次成功地实现了超导体和拓扑绝缘体的“珠联璧合”。他们发现超导的特性能够传递到拓扑绝缘体上,使拓扑绝缘体也具有了超导体的“本领”。

    如今人们的工作生活已离不开计算机。现在我们使用的计算机还处于大规模集成电路时代,预期在不远的将来半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10纳米的尺度,依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力已不太可能。而拓扑量子计算是近年来发展的一个可能的解决方案。如果人类找到了“马约拉纳费米子”,就找到了一把通往拓扑量子计算时代的“钥匙”。

    

(责任编辑:耿敏)

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