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拓扑量子时代或随新薄膜而来 |
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上海交大有望年内实现探测Majorana费米子 |
■本报记者 黄辛 张楠
3月29日，多云转阵雨，15℃～23℃，南风4～5级。
未来，人们也许能看到这样的天气预报：某月某日某分某秒，晴，18℃，东南风2级。我们将可以精确地知道未来某一特定时间点的天气实时情况。
这种超给力的天气预报会变成现实吗？答案是：有了拓扑量子计算机，像实时天气预报这样便捷的生活条件都将成为现实。
上海交大物理系贾金锋、钱冬研究组3月28日宣布：由他们领衔的科研团队，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。这种薄膜是产生Majorana费米子的必要条件。
钱冬告诉《中国科学报》记者，如果找到了Majorana费米子，在固体中实现拓扑量子计算将成为可能，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。据悉，上海交大科研团队有望在年内实现探测Majorana费米子的突破。
跨世纪预言或将应验
粒子世界有“两个家族”：费米子和玻色子。玻色子这户“人家”有个共同的脾性：“翻脸”后还是一家人；而费米子这家则完全相反，它们“翻脸”后，就形同陌路。
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。诺贝尔奖获得者丁肇中就一直在寻找由反粒子组成的反物质。而当正反物质相遇，就会一起消失，变成光。
意大利学者埃托雷·马约拉纳（Majorana）曾预测，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“Majorana费米子”。
Majorana费米子神秘莫测，全世界物理学家一直在寻找它，快80年了。高能物理学家认为，中微子可能就是一种Majorana费米子。上海交大的高能物理学家们也正紧锣密鼓地从事相关研究。而凝聚态（固体）物理学家们，则在不同的材料体系中热情寻找着Majorana费米子。
理论物理学家已经提出了多个Majorana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、高春雷等4位教授联合攻关的拓扑绝缘体与超导体的界面就是极可能存有Majorana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Majorana费米子的竞赛。上海交大已经制备出最适合探测和操纵Majorana费米子的人工薄膜系统，有望在年内实现探测Majorana费米子的突破。
众里寻她千百度。离找到这个Majorana费米子日子不远了，届时，埃托雷·马约拉纳的跨世纪预言也可能得到应验。
小薄膜成就大突破
究竟是什么薄膜有如此“神通”？
据介绍，这种薄膜由拓扑绝缘体材料和超导材料复合而成。厚度只有发丝的万分之一。通过精确控制，将所需材料的原子一层一层垒起来，最终达到产生Majorana费米子的必要要求。
钱冬举了个例子：“想象一下，在我们面前放了张桌子，桌面上要做一个贵重的台面，把拓扑绝缘体看做是台面，把超导材料看做是桌子，怎么把台面和桌子有机结合在一起，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大难题。”
目前，国际上已有多个研究组能生长出高质量拓扑绝缘体薄膜，但由于界面反应和晶格匹配等问题，拓扑绝缘体与超导体之间的高质量的薄膜非常难以制备。
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，他们在拓扑绝缘体与超导体之间插入一种超薄的过渡层，形成了一种特殊的人工薄膜，首次成功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——拓扑绝缘体也具有了超导体的“本领”。
小小薄膜成就了物理学领域的重大突破。这项研究成果即将在Science杂志发表，目前网站已先行发布。该工作被Science审稿人评价为“材料科学的突破（a breakthrough）”和“巨大的实验成就（a tremendous experimental feat）”。
《中国科学报》 (2012-03-30 A1 要闻)
