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     

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     

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     

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     

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.     

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.     

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)     

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.     

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。     

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.     

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     

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.     

无中微子双贝塔衰变：寻找马约拉纳中微子之路

无中微子双贝塔衰变是目前粒子物理与核物理学家积极寻找的一种极其稀有的原子核衰变模式。它的发现将验证中微子是否是其本身的反粒子,也就是通常指的马约拉纳费米子。同时这一物理过程破坏轻子数守恒,也可以为宇宙初期的正反物质不对称性提供重要的条件。鉴于其极重要的物理意义,国际上多个实验组利用不同的探测器技术,在多种不同的目标同位素中寻找这一突破粒子物理标准模型的稀有衰变。目前主流实验还未发现确定的无中微子双贝塔衰变信号,但对其半衰期的限制已经达到了1026年量级。国内近期也开展了一系列预研实验,期望在未来几年内可以确定一到两个切实可行的实验方案,开展吨级实验。     

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.     

揭开中微子和反中微子的马约拉纳神秘面纱——无中微子双贝塔衰变低温晶体量热器实验

中微子可能的马约拉纳粒子属性超出了目前标准模型的范畴,是粒子物理与核物理研究领域最重要的科学问题之一。无中微子双贝塔衰变(0vββ)实验是能够确定中微子马约拉纳属性的唯一途径。0vββ的发现可以揭示中微子绝对质量、轻子数破缺、物质—反物质不对称等一系列自然奥秘,是当今粒子物理与核物理研究的前沿课题。在探索无中微子双贝塔衰变的可选择实验方案中,低温晶体量热器具有高能量分辨率、高运行稳定性和低辐射本底的技术优势,成为新一代0vββ实验最具竞争力的探测器技术之一。文章首先介绍无中微子双贝塔衰变的研究历史,之后介绍低温晶体量热器及其最先进的代表——CUORE实验,最后展望关于我国锦屏地下实验室开展低温晶体量热器0vββ实验研究的前景。     

玻色子凝聚,费米子排斥,“任意子”呢？

众所周知,粒子被划分为玻色子和费米子两大类.但是在特定的二维系统中,这种分类可能不再成立.在这些二维系统中存在着一种性质介于玻色子与费米子之间的粒子或类粒子激发.这类粒子于1982年被命名为“任意子”(anyon).任意子存在的基础是受到了物理学中诸如磁单极、Aharonov-Bohm效应、电荷和角动量量子化等这些奇妙又极有吸引力的概念的支撑. 哈佛大学的B.Halperin于1984年指出,分数量子霍耳效应理论中所讨论的元激发,其行为类似于任意子.他的这一观点为F.Wil-czek等许多科学家所肯定.此外,P.Ander-son在高温超导材料发现后不久就指出,…     

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…     

中微子物理若干前沿问题

 在过去的几年间,大量的实验结果已经表明中微子有非零质量以及轻子味混合。这一进展为我们打开了一个全新的值得探索的基本粒子世界。关于中微子我们已经知道了多少,我们想要发现什么?本文将从理论与唯象的观点进行阐述。目前中微子物理的前沿问题主要包括:中微子真的发生味转化吗?有几代中微子?存在惰性中微子吗?中微子的质量是多少?中微子是马约拉纳粒子还是狄拉克粒子?轻子味混合矩阵的混合角有多大?轻子味混合矩阵包含CP破坏位相吗?如果包含,那么在中微子振荡和无中微子双β衰变中,这些位相会导致可探测的CP破坏效应吗?     

中微子及其家族

 ２００１年１月３日《科技日报》公布的“２０００年国际十大科技新闻”之一：“科学家发现τ子中微子存在的证据”称,“２０００年７月２０日,美国费米实验室宣布,美国、日本、希腊和韩国的５４位科学家经过３年的合作研究,首次发现了表明τ子中微子存在的直接证据。至此,粒子物理学标准模型中的１２种基本粒子已经全部被直接或间接探测到。τ子中微子的发现对揭开物质构成之谜以及探索宇宙天体奥秘具有深远意义。”为了理解这项科学发现的意义,我们首先介绍原子核和放射性原子核。从不稳定原子核β衰变的研究中,泡利预言了中微子。然后我们讲述物质世界中４种基本的相互作用和组成物质世界的１２种基本的费米子