二维高温超导体中马约拉纳零能模证据的发现

正1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)发现描述费米子基本运动的狄拉克方程在特定系数下可以给出实数波动方程解(可改写为马约拉纳方程),以此预言了一种不带电荷且反粒子是其自身的神奇费米子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)~([1])。此后80多年来,无数物理学家一直致力于寻找这类神秘莫测的马约拉纳费米子。在粒子物理领域,不带电的中微子被认为很可能是马约拉纳费米子,但至今仍未有定论。而在凝聚态物质中,预测也存在着符合马约     

探寻马约拉纳费米子

正1937年,31岁的意大利科学家马约拉纳发表了一篇理论文章,预言自然界可能存在一种与其反粒子完全相同的特殊粒子,也就是马约拉纳费米子。一年之后,这位年轻的天才物理学家在一次度假途中神秘消失。此后近80年里,尽管江湖上各种传闻,各路物理界高手四处打探,他和他所预言的"马约拉纳费米子"一直渺无音讯,神秘无踪。在现代物理学家眼里,这个莫测的马约拉纳费米子不仅是一种重要的基本粒子——与超对称理论     

我国科学家捕获马约拉纳费米子

<正>中国科学家在实验室里成功捕捉到物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳首先预言,在自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种正反粒子同体的特殊费米子就像是两兄弟站在一起照镜子,它们的反粒子就是自己本身,这种费米子被称为"马约拉纳费米子"。但是要捕捉到该粒子却非常的困难,在近80年来众多的科学家做了大量的研究工作,却一直都未找到马约拉纳费米子存在     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.     

基于量子点相干光学谱的马约拉纳费米子探测

研究了半导体纳米线/超导体复合结构中的马约拉纳费米子的存在情况,提出一种用相干光学谱探测马约拉纳费米子的全光学方法.将一束较强的泵浦激光和一束较弱的探测激光同时作用于半导体量子点,由系统的哈密顿量导出半导体量子点的相干光学谱.数值模拟结果表明,相干光学谱中呈现出由半导体量子点与马约拉纳费米子耦合诱导的明确的马约拉纳费米子迹象.半导体量子点与马约拉纳费米子之间的无接触性,避免了探测中杂质信号的引入.半导体量子点与马约拉纳费米子间的耦合强度和探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度呈正比,可通过测量分裂宽度获得耦合强度,为耦合强度的确定提供了直观的测量方法.     

基于量子点相干光学谱的马约拉纳费米子探测（英文）

研究了半导体纳米线/超导体复合结构中的马约拉纳费米子的存在情况,提出一种用相干光学谱探测马约拉纳费米子的全光学方法.将一束较强的泵浦激光和一束较弱的探测激光同时作用于半导体量子点,由系统的哈密顿量导出半导体量子点的相干光学谱.数值模拟结果表明,相干光学谱中呈现出由半导体量子点与马约拉纳费米子耦合诱导的明确的马约拉纳费米子迹象.半导体量子点与马约拉纳费米子之间的无接触性,避免了探测中杂质信号的引入.半导体量子点与马约拉纳费米子间的耦合强度和探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度呈正比,可通过测量分裂宽度获得耦合强度,为耦合强度的确定提供了直观的测量方法.     

探索凝聚态中的马约拉纳粒子专题编者按

正年轻的意大利理论物理学家马约拉纳在1937年研究狄拉克方程时,发现了一种奇异的粒子,其反粒子即其粒子本身.这种奇异粒子被后人称为马约拉纳粒子.在已知的基本粒子世界,除了中微子,都不是马约拉纳粒子(Majorana),而中微子是否是马约拉纳粒子尚待实验检测.最近以来,探     

外尔费米子的奇特热电性质

<正>世界由各种微观粒子组成。这些粒子可以分为两大类,玻色子和费米子。费米子组成了物质,而玻色子传递物质之间的相互作用。1928年,为了精确计算原子的能谱,狄拉克基于量子力学的原理,同时考虑电子的相对论性运动,提出一个波函数方程来描述电子的行为。这个方程后来被称为狄拉克方程。该方程的意义远远超出了狄拉克的初衷。它不但给出了自旋的理论解     

寻找无中微子双beta衰变

正中微子有3种可能的质量状态,其质量大约是电子的百万分之一。这种巨大的差别意味着中微子质量的起源与所有其他费米子不同,涉及超出标准模型的物理。多数由标准模型推广出来的理论都认为中微子是马约拉纳(Majorana)粒子。就是说,它们是本身的反粒子。如果中微子是马约拉纳粒子,那么就违反了轻子数守恒,轻子数是赋予所有轻子的量子数,对于电子和中微子是1,而它们的反粒子是-1。在双中微子beta衰变(图左)     

Eureka:固体“宇宙”中的外尔费米子

正外尔(Hermann Weyl,1885—1955年)是20世纪伟大的数学家、物理学家和哲学家。他是大数学家希尔伯特(David Hilbert)的学生,并且在希尔伯特退休后继承了其教授职位。上世纪三十年代因不满纳粹的迫害,外尔接受了普林斯顿高等研究院的邀请,与爱因斯坦、冯·诺依曼形成了当时高等研究院著名流亡科学家的三人组合。外尔一项很重要的工作是在1929年做出的。狄拉克方程是在1928年提出的,它把量子力学和     

让玻色子具有费米子的行为

在微观世界中 ,物质分为两类 ;一类是费米子 (如电子等 ) ,一类是玻色子 (如光子或氢原子 ) .费米子服从泡利不相容原理 .如果将许多费米子放入一个体系内 ,那些处于其中的费米子必须具有不同的位置或不同的量子态 (如动量或自旋等 ) ,也就是说 ,二个费米子不能有完全相同的量子态 .而玻色子就没有这些限制 ,因此玻色子可以处于同一量子态上 .物理世界中已经有大量实例证明 ,可以使费米子具有玻色子的行为 ,例如在超导与超流的实验中 ,我们让费米子配对后就能使它具有玻色子的行为特征 .但迄今为止 ,还没有反过来的实例 ,即让具有不可分辨性…     

拓扑量子材料光电探测器研究进展

物质拓扑态的发现是近年来凝聚态物理和材料科学的重大突破。由于存在不同于常规半导体的特殊拓扑量子态(如狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子等),拓扑量子材料通常能表现出一些新颖的物理特性(如量子反常霍尔效应、三维量子霍尔效应、零带隙的拓扑态、超高的载流子迁移率等),因而在低能耗电子器件和宽光谱光电探测器件领域具有重要的研究价值。本文综述了拓扑量子材料的特性与制备方法以及在光电探测领域的发展现状,重点讨论了拓扑绝缘体与拓扑半金属宽光谱光电探测器的器件结构与性能,同时也对拓扑量子材料在光电探测器领域的发展前景进行了展望。     

从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模

作为马约拉纳费米子的“凝聚态版本”,马约拉纳零能模是当前凝聚态物理领域的研究热点.马约拉纳零能模满足非阿贝尔统计,可以构建受拓扑保护的量子比特.这种由空间上分离的马约拉纳零能模构建的拓扑量子比特不易受局域噪声的干扰,具有长的退相干时间,在容错量子计算中具有重要的应用前景.半导体/超导体纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台.本文综述了高质量半导体纳米线外延生长、半导体/超导体异质结制备以及相应的马约拉纳零能模研究方面的进展,并对半导体/超导体纳米线在量子计算中的应用前景进行了展望.     

探索“手征电子学”——第二类外尔半金属的手征输运

<正>1929年,物理学家Hermann Weyl理论预言了一种质量为零的相对论性费米子,称为"外尔费米子"~([1])。独特的是,这种费米子具有两种不同的类型,可以用"手征"来表示,其中一种费米子的自旋和动量方向平行,而另一种费米子相反,称它们分别具有"右手"和"左手"手征,如同人的左手和右手一样,具有镜像对称性。通     

重费米子超导

重费米子材料作为典型的强关联电子体系,具有丰富的物理内涵。重费米子超导也因复杂的电子间相互作用而具有多种不同的超导配对机理。文章以几个典型的重费米子超导体(CeCu_2Si_2、CeMIn_5、UTe_2)为例,介绍其基本物理性质,其中重点讨论超导与反铁磁、铁磁之间密不可分的竞争/共存关系。另外,文章还讨论空间反演中心/时间反演对称性破缺对重费米子超导体序参量的影响。最后,简单介绍了几种比较特殊的竞争序诱导的重费米子超导态。     

费米子和Julia-Zee双子系统的束缚态条件

本文讨论了一个SU(2) Higgs场与费米子场的标量耦合模型. 主要结果是: (1) 把Julia-Zee双子处理为外势, 得到了费米子径向波函数所满足的联立方程程组; (2) 求出了无穷远处和零点附近的渐近解; (3) 定性地讨论了费米子束缚态存在的必要条件. 发现, 对于磁单极情形, 当h→0时, 必不存在费米子束缚态. 对于双子情形, 在h→0的情况下, 费米子束缚态可能存在.     

费米子算符的一些关系式

本刊83年4期上介绍了“玻色子算符的一些关系式”.与此相应,这里将介绍费米子算符的一些关系式. 一费米子消灭算符ai和产生算符a的代数性质,完全由费米子对易关系式确定“’ [ai,ai ] aiai ai ai=δij [ai,ai] aiaj ajai=0(1) [ai ,aj ] ai aj aj ai =0式中脚标i,j分别为第i和第j粒子的编号指标。由式(1)可知:不同单粒子(i≠j)的算符是反对易的;而同一单粒子的产生算符a 和消灭算符a有关系式 aa a a=1 (a )2a a =0(2) (a)2aa=0 (a )N=0(N为≥2的正整数,下同) aN=0实际上(a )’一0和a‘一0是费米子遵从泡利原理(没有两个费米子可占据相…     

重费米子超导体

美国《今日物理》1983年12期报道,美国科学家发现了第二个重费米子超导体UBe13.四年前西德科学家首次发现CeCu2Si2为重费米子超导休,引起了人们强烈兴趣.由于很难制备出符合化学配比的单相的CeCu2Si2,所以不同样品的性质有较大差别,测量的重复性也不太好.人们曾对重费米子超导体的存在有些担心.UBe13没有这种冶金学方面问题,同时应用新技术可获得高质量的CeCu2Si2晶体.因此人们就不应该再怀疑重费米子超导体的存在了. 什么是重费米子?测量结果表明,上述类型样品的电子有效质量非常高,高达自由电子质量的1000倍,这种具有极高有效质量的…     

重费米子超导体的奇异特性

本文主要综述了最近几年对重费米子超导体CeCu_2Si_2、UBe_(13)和UPt_3所做的实验研究。着重介绍了重费米子超导体的奇异特性,尤其对与标准的BCS超导理论不符的实验现象和可能的P波配对超导的解释作了较系统的总结,对实验现象之间的一些关联也作了讨论。在理论方面,简要概述了对重费米子的起源、超导机制以及超导态的特性所做的理论研究的主要进展。     

重费米子超导体的奇异特性

本文主要综述了最近几年对重费米子超导体CeCu_2Si_2、UBe_(13)和UPt_3所做的实验研究。着重介绍了重费米子超导体的奇异特性,尤其对与标准的BCS超导理论不符的实验现象和可能的P波配对超导的解释作了较系统的总结,对实验现象之间的一些关联也作了讨论。在理论方面,简要概述了对重费米子的起源、超导机制以及超导态的特性所做的理论研究的主要进展。