费米子家族新成员——突破传统分类的三重简并费米子的实验发现

<正>1928年,著名理论物理学家狄拉克(Dirac)提出描述带有相对论效应电子态的狄拉克方程。第二年,外尔(Weyl)指出狄拉克方程无质量的解描述的是一对具有相反手性的新粒子,这就是外尔费米子。1937年,马约拉纳(Majorana)预言,当狄拉克方程加上反粒子是自身的限制条件后,则描述的是另一种类型的费米子,即马约拉纳费米子。根据目前的理论,在宇宙空间中,由于受到洛伦兹不变性的限制,仅存在以上三种类型的费     

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     

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     

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     

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)     

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.     

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.     

马约拉纳零能模的非阿贝尔统计及其在拓扑量子计算的应用

自1937年被预言以来,马约拉纳费米子在粒子物理领域和暗物质领域就广受关注.它们在凝聚态物理中的"副本",马约拉纳零能模(Majorana zero mode, MZM),被指出可以通过拓扑超导实现,并由于满足非阿贝尔统计及可以用来实现容错的量子计算机而成为凝聚态领域最受关注的研究方向之一.尤其在近二十年中,马约拉纳零能模在理论和实验方面均取得了诸多重要进展,一些综述文章对此做了较详细介绍.本文将会重点回顾MZM的非阿贝尔统计性质以及它们在量子计算中的应用.文章的第一部分首先简单介绍了凝聚态系统中MZM的理论发展并概述了在人工异质结体系中寻找MZM的最新理论和实验进展.然后介绍了MZM非阿贝尔统计的基本概念,并讨论这一性质怎样应用到量子计算中.接下来重点讨论了利用MZM平台实现量子计算机的两个关键步骤:MZM非阿贝尔编织操作的实验实现方案和MZM量子比特的读取.在这一部分里,本文分别详细列举了现有的比较受关注的实现MZM编织操作和量子比特的读取实验装置.最后,文章介绍了在对称性保护的拓扑超导系统中实现马约拉纳的对称保护非阿贝尔统计的可能性.     

Majorana费米子与拓扑量子计算

1937年,Majorana发现Dirac所提出的相对论性协变的电子波动方程,在另一个表象下所得到解可以描述不带电荷的费米子,具有与Dirac费米子不同的性质。在基本粒子领域,对这种Majorana费米子的寻找至今一直在进行中;而在凝聚态物理领域,对拓扑超导体和分数量子霍尔态的研究,人们已经发现了与Majorana费米子有相同行为的准粒子。特别是在二维拓扑超导体系中出现的涡旋元激发包含了零能量的Majorana准粒子,它们在交换操作下表现出非阿贝尔的统计性质,因而有望借以实现拓扑量子计算。文章系统地介绍了凝聚态物质系统中获得Majorana费米子的理论模型和物理实现,并进一步介绍了与之相关的拓扑量子计算的实现方法。     

双量子点结构中Majorana费米子的噪声特性

Majorana费米子是其自身的反粒子, 在拓扑量子计算中有着重要的应用. 利用粒子数表象下的量子主方程方法, 研究双量子点与Majorana费米子混合结构的电子输运特性, 特别是散粒噪声. 有无Majorana费米子耦合的电流与散粒噪声存在明显差别: 有Majorana费米子耦合时稳态电流差呈反对称, 噪声谱呈现相干振荡并且低频噪声显著增强. 量子点与Majorana费米子对称弱耦合时, 零频噪声由"峰"变为"谷", 并且"边谷"展宽逐渐减小; 当对称强耦合时, 零频噪声的谷深增加, "边谷"向高频端移动. 改变系统与电极的耦合强度时, 零频噪声由谷变成峰. 因此, 稳态电流结合散粒噪声可以探测双量子点结构中Majorana费米子是否存在.     

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。     

Bi(110)薄膜在NbSe_2衬底上的扫描隧道显微镜研究

二维拓扑绝缘体因其特殊的能带结构带来的新奇物理性质,成为近年来凝聚态物理的研究热点.尤其是在引入超导电性之后,二维拓扑绝缘体中可能存在马约拉纳费米子(Majorana fermion),因此在量子计算方面具有重大应用前景.在Bi(111)薄膜被证实为二维拓扑绝缘体之后, Bi(110)薄膜引起了广泛关注,然而其拓扑性质还存在争议.本文利用分子束外延技术在室温低生长速率环境下成功制备出了高质量的单晶Bi(110)薄膜.通过扫描隧道显微镜测量发现,薄膜以约8个原子层厚度为分界,从双层生长转变为单层生长模式.结合隧道谱测量发现,在NbSe_2衬底上生长的Bi(110)薄膜因为近邻效应而具有明显的超导性质,但并未显示出拓扑边缘态的存在.此外,对薄膜中特殊的量子阱态现象也进行了讨论.     

Majorana费米子的研究进展

Majorana费米子因反粒子是其本身且没有电矩和磁矩等性质而广受关注,其具有的可容错性在量子计算方面起着关键作用,能极大地提高计算机的存储能力,因而Majorana费米子成为国内外凝聚态物理界的研究热点。本文着重研究并整理Majorana费米子迄今为止的热点研究方向和相应研究进展,包括对约瑟夫森效应、量子点结构效应、Andreev反射以及Fano效应等理论模型的介绍,并对比多个相关实验的特点进行总结分析。     

纳米线中Majorana费米子的证据

在2012年6月出版的Physics Today杂志上,资深编辑MarkWilson撰文回顾了在凝聚态体系中探索Majorana费米子的历程,其中特别介绍了荷兰Delft理工大学的Leo Kouwenhoven研究组最近在InSb纳米线中发现Majorana费米子踪迹的实验．现摘译如下：     

拓扑超导中的Majorana费米子约瑟夫振荡模型

构造一个简易的模型描述拓扑超导相中Majorana费米子的约瑟夫振荡,与平庸相中的约瑟夫振荡相比,周期增大一倍.其本质的原因是由于拓扑超导相中发生量子隧穿的Majorana费米子对的电量为e,而平庸相中量子隧穿的库珀对的电量为2e。     

在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模

寻找具有拓扑序的新物质态是目前一个非常活跃和令人激动的研究领域.与拓扑绝缘体类似,在超导体中也存在着拓扑非平庸的超导态,它与传统的超导体在拓扑性上是不等价的,这种具有非平庸拓扑序的超导体被称为拓扑超导体.拓扑超导体在体内具有非零的超导能隙,而在表面有无能隙的表面态.理论预言在拓扑超导体中能够实现具有非Abelian统计特性的Majorana费米子. Majorana费米子可以用来构建拓扑量子比特,在拓扑量子计算方面有重大的科研和应用前景.拓扑绝缘体的出现催生出了许多人工拓扑超导体材料.本专题将主要介绍在拓扑绝缘体/超导体异质结中探测Majorana费米子的一系列实验工作.通过对拓扑超导体的研究,人们对超导电性有了全新的认识,有可能找到实现Majorana费米子新奇量子物理性质的方法.     

铁磁性电极条件下T形双量子点结构中马约拉纳束缚态的解耦现象

通过将马约拉纳束缚态侧耦合到主通道中的量子点,从理论上研究了T形双量子点体系的输运性质.结果表明,调整侧耦合量子点能级和量子点-马约拉纳束缚态耦合方式,可以在线性输运区观察到马约拉纳束缚态与T形双量子点解耦的现象.引入铁磁性电极后,电导平台的出现或损坏明显依赖于体系中磁场与电极极化方向的差异,而马约拉纳束缚态的解耦现象仍然稳固.本工作有助于进一步诠释T形双量子点体系中马约拉纳束缚态的解耦现象,为深入认知以及探测马约拉纳束缚态提供理论支持.     

铁基超导涡旋演生马约拉纳零能模

作为马约拉纳零能模(MZM)的一种全新载体,具有拓扑能带结构的铁基超导块材——拓扑铁基超导体——近年来引起了学术界的广泛关注.由于同时具备单一材料、高温超导、强电子关联、拓扑能带等特质,拓扑铁基超导体成功规避了本征拓扑超导体和近邻异质结体系在实现MZM上的困难,为马约拉纳物理开辟了自赋性拓扑超导的新方向.时至今日,人们已经在多种拓扑铁基超导体的磁通涡旋中测量到了纯净的MZM.实验发现,铁基超导体系中演生的涡旋MZM信号明确、物理清晰,具有很好的应用前景.拓扑铁基超导体有望成长为研究马约拉纳物理和制备拓扑量子比特最重要的材料体系之一.本文以Fe(Te,Se)为主要对象详细介绍了铁基超导马约拉纳载体的思想起源和研究进展.在阐明Fe(Te,Se)拓扑能带结构和零能涡旋束缚态基本实验事实的基础上,本文将逻辑清晰地系统总结铁基超导涡旋演生MZM的主要实验观测和基本物理行为;借助波函数、准粒子中毒等实验,解析Fe(Te,Se)单晶中的涡旋MZM演生机制;结合现有马约拉纳理论,深入探讨铁基超导体中的马约拉纳对称性和准粒子拓扑本质的实验测量.最后,本文采用"从量子物理到量子工程"的视角,综合分析涡旋MZM在真实材料和实际实验中的鲁棒性,为未来潜在的工程应用提供有益指导.本文以物理原理为线,注重理论与实验结合,旨在搭建经典马约拉纳理论与新兴拓扑铁基超导体系之间的桥梁,帮助读者理解铁基超导涡旋中演生的MZM.