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找到了吗,论文作者和凝聚态物理学家们没这么说

8月21日,收录论文预印本的网站arXiv上发布了一篇关于一维手性马约拉纳费米子与体系电导关系的文章(A
mechanism of e^2/2h conductance plateau without 1D chiral Majorana
fermions)\[1\],作者是麻省理工学院教授文小刚和Wenjie
Ji。仅一天之后,美国马里兰大学助理教授Jay D.
Sau等也在arXiv上发布了一篇关于同一主题的文章\[2\]。两篇文章都认为,此前王康隆团队的实验发现尚不能成为一维手性马约拉纳费米子存在的直接证据。

编者按:昨天一天,果壳科学人的编辑也被“天使粒子被发现”刷了屏,原本这也是最新科研成果进入大众视野的又一次绝好案例,然而通过研读发表在Science上的原论文,以及对论文作者和相关领域科学家们的采访,我们发现,一些媒体报道的“开启新时代”、“历史性的突破”、“迟早要得到诺贝尔奖”的研究,和科学家们眼中的“一项不错的工作”在事实细节上存在着很大的出入。果壳网科学人认为,科学报道的第一原则是事实准确,而后才是“搞个大新闻”。通过对论文作者以及凝聚态物理学家们的采访,看看专业人士是怎么评论这项研究的。

今年7月,《科学》杂志(Scienece)发表了一篇题为《量子反常霍尔效应绝缘体-超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》(Chiral
Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall
insulator-superconductor
structure) 的实验论文,文中描述了王康隆团队及合作者们通过对拓扑超导体(由拓扑量子反常霍尔绝缘体(QAHI)薄膜和超导(SC)薄膜构成的混合一维器件,简称为QAHI/SC结)外加电磁场调控的实验,并经由电导测量证明了一维手性马约拉纳费米子的存在。

从昨天早上开始,关于“天使粒子被发现”的报道就刷爆了各个媒体网络。这些报道的研究,发表于今天的《科学》杂志(Science)上。

论文上线后经媒体发酵而走入大众视野,成为了热点新闻并被广泛讨论。同时,一维手性马约拉纳费米子也被赋予了“天使粒子”这一称号。

这篇论文有个非常学术而高冷的标题——《量子反常霍尔效应绝缘体-超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》(Chiral
Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–
superconductor structure)。

这篇文章也不可避免地在学术界引发了广泛兴趣。不少物理学家开始对天使粒子实验及实验背后的理论基础进行了关注和深入探讨。

图片来源:Science

这其中就包括文小刚团队和Jay D. Sau团队等。

这篇文章中所描述的实验由加州大学洛杉矶分校的王康隆团队(UCLA Device
Research Lab (Kang Wang
Group))主导,上海科技大学合作,并由加州大学欧文分校、加州大学戴维斯分校协助、斯坦福大学团队的参与。实验中观测到了马约拉纳费米子模存在的证据,同时又极大程度上排除了其他因素的影响,成为马约拉纳准费米子存在的有力证据。

之前的实验说了什么?

时间回到三个月前,加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆团队在论文中报告说,发现了一维手性马约拉纳准费米子。这里所说的“发现”,并不是直接观察到,而是指他们实验中观测到的现象似乎只能用这种准粒子才能解释。

实验团队发现:磁场调控下的拓扑超导体QAHI/SC结中存在半量子化电导平台(G0/2=e^2/2h)。

这个半量子化电导平台非常关键。

在物理学中,电子是费米子,服从的是费米-狄拉克统计规律,即每个量子态中电子的占据数要么是“0”要么是“1”。这意味着电子经由这种量子态所构成的量子通道在器件中传输时,其电导必然是单位电导G0的整数倍。而斯坦福大学教授张首晟团队从理论上证明,含有一维手性马约拉纳费米子的拓扑超导态,则可以出现非整数个单位的电导,比如半量子化电导平台。

天使粒子会导致半量子化电导平台,但半量子化电导平台的存在能否说明体系中含有天使粒子呢?这个反推不一定能成立!

这是一个充分非必要条件的问题。

为了进一步解决这个问题,香港科技大学副教授K. T.
Law等人进行了相应的理论研究和计算,并得出结论,这个反推关系是成立的\[4\]。相关论文于今年7月发表在《物理评论B》(Physical
Review B)上。

基于张首晟的理论结果和Law的计算支持,实验团队认为他们在实验上发现的这个半量子化电导平台源于天使粒子(即一维手性马约拉纳费米子)\[1\]。也就是说,通过观测结果,他们反向推断得出测量到的是天使粒子的结论,即他们在实验中找到了天使粒子。

文章的第一作者,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的何庆林是这样解释这次研究的:“本次研究是利用了反常量子霍尔绝缘体(quantum
anomalous Hall
insulator)与超导体(superconductor)的耦合机制而形成一种新的拓扑量子态,称为拓扑超导体(topological
superconductor)。UCLA团队利用分子束外延技术,制备了只有6纳米厚的反常量子霍尔绝缘体薄膜,然后在表层沉积超导体后将样品冷却至接近绝对零度,通过外加电场和磁场的调控,测试样品的量子电导,来证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,因此此工作是世界上首次实验证明这种粒子存在的最有力的证据。

科学界的广泛关注

论文发出后,无论是普通大众还是物理学家,都对其产生了浓厚的兴趣。因为自从马约拉纳提出以他命名的马约拉纳费米子之后,大家辛苦搜寻了80年,还没找到。这次的发现被认为是结束了80年的漫长搜寻。(其实这次实验并没有找到马约拉纳提出的马约拉纳费米子。因这次宣称发现的是一维手性马约拉纳费米子,和马约拉纳提出的三维马约拉纳费米子是不同的东西。)

在三维或者更高维体系中,粒子要么是玻色子要么是费米子,服从的要么是玻色-爱因斯坦统计要么是费米-狄拉克统计规律;而在含有拓扑序的低维体系中,可能存在人们称之为任意子的准粒子,它们具有分数自由度,服从的是界于玻色-爱因斯坦统计和费米-狄拉克统计之间的阿贝尔统计或非阿贝尔统计规律。

文小刚在1991的一个工作中指出,一维手性马约拉纳费米子(即天使粒子)可以出现于有些二维量子材料的边界上。他进一步指出,边界上天使粒子的出现,意味着材料体中存在非阿贝尔任意子(服从非阿贝尔分数统计),其可以稳定编码量子信息。因此,如果能在二维量子体系中发现并制备出非阿贝尔任意子,对拓扑量子计算机具有非常重要的理论意义和实用价值

实验团队的观测结果犹如投石入水,吸引了人们的目光。而广泛的关注自然带来广泛的讨论和研究,物理学家们纷纷将注意力转向这一方向,于是在arXiv上连续出现相关内容的文章也就不足为奇。

“我是在王康隆的文章正式发表之后才开始注意到这个工作的。”文小刚在采访中对果壳网科学人说,“王康隆的文章正式发表以后,受到了很大的关注。大家开始仔细地想这个问题,所以不同的小组做仔细的计算,隔天发表文章,一点儿也不意外。”

“今年早些时候,上海交通大学的贾金锋团队也发表了关于‘发现马约拉纳费米子’(The
discovery of Majorana
fermion)的工作。贾教授团队的工作是马约拉纳费米子的零维版,主要通过扫描显微镜测试;我们研究的是马约拉纳费米子的一维版,主要是做成电子器件来进行宏观电磁测试。

两篇先后在arXiv上发布的新文章

文小刚等人注意到,Law等人在文章中提到了一个不需要天使粒子而导致半整数电导的物理机制,但并没有进行仔细地理论计算就否定了这种机制。基于这个机制所计算的具体结果会是怎样的呢?Law的否定是否有些草率呢?基于这些疑惑,文小刚等人基于该机制进行了仔细计算,结果发现如果反常霍尔膜(QAHI)与超导膜(SC)之间能形成良好的电学连接,无论体系边界上是否有天使粒子,体系都具有完美的半量子化电导平台,即半量子化电导平台的存在并不要求体系一定非处于马约拉纳费米子零模不可。实验上测量到的半量子化电导平台不能成为发现马约拉纳费米子零模存在的直接证据\[2\]

尔后,文小刚等还发现:

1)在实验条件下,量子反常霍尔膜与超导膜之间接触电阻的确可以很小,并推导出了相应的计算公式;2)只要接触电阻很小,体系在高温条件下的也具有半量子化电导平台,因此半量子化电导平台是接触良好的这种体系的基本特征;
3)理论计算的电导-磁场曲线与实验发现非常接近。

文小刚等人根据理论结果指出,无论有没有“天使粒子”,都可观察到半量子化平台。也就是说,这样的实验结果并不能证明发现了天使粒子

 “Law提出的这个机制很多人都知道,实际上王康隆文章的审稿人也提到了的。”文小刚说,“但没有详细的计算,以致Law觉得这个机制在细节上应与实验不符。我们的计算表明这个机制在细节上也可以跟实验非常符合。”

得到这一结果后,文小刚等人将文章发布在了arXiv上。arXiv是一个收集物理学、数学、计算机科学和生物学论文预印本的网站,不少科学家都习惯在将论文提交至学术期刊前,先上传到arXiv上。尽管arXiv上的文章并未经过同行评议,但只有经过“认可”的作者才能上传论文,作者们对自己的文章也大多保持严谨的态度。

相隔一天后,Jay D.
Sau等在arXiv上发布了另一篇文章。文中首先建立了一个由超导和两反常量子霍尔绝缘体构成的三明治型异质结体系(QAHI/SC/QAHI),然后采用线性响应理论和Landauer-Buttiker公式计算了体系的电导。结果发现结构无序引起的安德列夫散射可直接导致半量子化电导平台的出现\[2\]。Sau等人的结论与文小刚等人的结论类似,即不能在半量子化电导平台与天使粒子之间划上等号。

永利网站网址 1QAHI/SC/
QAHI三明治型异质结。图片来源:参考文献[3]

其实Sau等人的这种三明治结构来源于Law等人的论文,Law等人也在文章中指出,如果这种三明治结中的超导可形成孤岛,体系可具有非常接近于半量子化的电导平台\[4\]

“理论上,马约拉纳费米子应当出现量子化现象,但包括目前世界上还没有报道这一现象,而我们组是第一个做出来的量子化现象。”

科学家们的讨论还在继续

张首晟等证明如果量子反常霍尔-超导体系的边界上存在天使粒子,这可导致出半量子化电导平台;文小刚及Sau等则证明半量子化电导平台并不必然源于天使粒子,比如如果这种体系具有连接良好、或结构无序诸多特性中的一个,就可能呈现半量子化的电导平台,这与体系边界上是否有天使粒子无关。

如果这两篇新文章的计算无误,那么“找到”马约拉纳费米子的喜悦确实为时尚早。也许科学家们还需要更进一步的实验,比如电输运和热输运的联合测量,才能甑别实验团队发现的半量子化电导平台的根源是马约拉纳费米子还是别的一些并不重要的因素。科学的魅力正在与此,通过不断地相互交流和思想碰撞,最终发现事物运行的根本规律。

对于可以通过哪些补充实验来进行甑别,文小刚在果壳科学人的采访中也提出了一些想法:“我们现在正在做进一步研究,特别是器件中温度分布的研究,希望能找到一种实验,可以明确区分1/2电导平台的两种产生机制——一个是Law机制,一个是首晟的天使粒子机制。”(编辑:婉珺)

自左至右依次为:何庆林,王康隆,潘磊。供图:何庆林

参考文献:

  1. Ji, W. and X.-G. Wen (2017). “A mechanism of e^2/2h conductance
    plateau without 1D chiral Majorana fermions.” arXiv:1708.06214.
  2. Huang, Y., F. Setiawan and J. D. Sau (2017). “Disorder-induced
    half-integer quantized conductance plateau in quantum anomalous Hall
    insulator-superconductor structures.” arXiv:1708.06752.
  3. He, Q. L., L. Pan, A. L. Stern, E. C. Burks, X. Che, G. Yin, J.
    Wang, B. Lian, Q. Zhou, E. S. Choi, K. Murata, X. Kou, Z. Chen, T.
    Nie, Q. Shao, Y. Fan, S.-C. Zhang, K. Liu, J. Xia and K. L. Wang
    (2017). “Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall
    insulator–superconductor structure.” Science 357(6348): 294.
  4. Chen, C.-Z., J. J. He, D.-H. Xu and K. T. Law (2017). “Effects of
    domain walls in quantum anomalous Hall insulator/superconductor
    heterostructures.” Physical Review B 96(4): 041118

 

马约拉纳费米子是什么?

又是马约拉纳费米子,又是马约拉纳费米子模,又是马约拉纳准费米子。物理学家们到底到底在说些什么?

这篇文章的共同一作,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的潘磊表示:

“马约拉纳费米子本来是一个高能物理概念,是一种有质量的基本粒子,很多人认为中微子就是马约拉纳费米子。这里要说明,现在所有的发现都不是真正发现了马约拉纳费米子,而是发现了符合马约拉纳费米子性质的激发态。”

 

电子科技大学副教授永利网站网址,李小飞向果壳网科学人介绍:

“粒子物理学标准模型认为,基本粒子有费米子和玻色子两大类,费米子构成物质并通过交换玻色子发生相互作用。依据超对称性原理,所有的费米子都存在反粒子,比如正电子就是电子的反粒子。

“随着量子力学的发展,意大利物理学家埃托里·马约拉纳(Ettore
Majorana)于1937年提出,可能存在反粒子就是其本身的费米子,称为‘马约拉纳费米子’(Majorana
fermion)。然而,实验上至今没有找到马约拉纳费米子。

埃托雷·马约拉纳。图片来源:维基百科

“实际上,大量粒子的集体运动模式具有粒子性,称为‘准粒子’或者‘集体激发’,比如晶格的热振动模式就被叫作‘声子’。凝聚态物理学家认为,调控固体材料中大量电子的集体运动模型,可以获得‘准’马约拉纳费米子。在2010年至2015年间,张首晟团队连续发表了多篇论文,阐述了利用磁场调控由量子反常霍尔效应薄膜和超导薄膜构成的混合器件中的电子集体运动模式,通过是否存在半整数量子化电导平台来判定这种准粒子的存在。

“这次实验成功测量到了这个半整数量子化电导平台,充分证实了这种马约拉纳准费米子的存在。这次实验在量子信息学等应用领域具有重要的现实意义,为马约拉纳费米子的存在提供了有力证据,极大地增强了人们寻找信心。”

 

麻省理工大学物理学教授、凝聚态物理学家文小刚说:

“之前,人们就已经在有自旋轨道耦合的超导体中发现了以准粒子激发的形式存在的马约拉纳费米子,但当时它被叫做另外一个名字:玻戈留玻夫(Bogoliubov)准粒子。超导体中的准马约拉纳费米子,或玻戈留玻夫准粒子的确和暗物质的一个候选粒子有点像,即自己是自己的反粒子。作为基本粒子的或超导体中的马拉约纳费米子是能在三维跑的。这次的工作发现的是在一维跑马拉约纳费米子。是很不一样的东西。”

 

中科院物理研究所研究员戴希说:

“当代凝聚态物理中的涉及到的这些所谓‘新粒子’,无论是外尔费米子还是马约拉纳费米子,都是在‘准粒子’或‘元激发’意义上讲的。与粒子物理中研究的‘真实粒子’相比,其科学意义体现在不同的方面。粒子物理中发现的新粒子让我们对宇宙的历史和未来形成更深刻的理解,而凝聚态里面的这些新‘准粒子’,则给我们操控和利用它们提供了巨大的可能性,在不久的未来有可能造福人类。”

 

复旦大学物理系教授施郁表示:

“归根到底,这还是固体材料中的电子的行为。但是,大量电子在固体的环境(原子核阵列以及外部条件比如磁场所形成的复杂势能)以及它们自己之间的相互作用下,可以简洁地用所谓“准粒子”来描述,也就是说这里的大量电子的表现就像在最低能量的状态基础上,激发出大量“准粒子”。为了强调这些“准粒子”是在新的层次上演生出来,而它们在其所在的环境中就类似我们的宇宙中的基本粒子,我们还可以称它们为‘演生粒子’。

“现在,实验团队在某个特定固体环境中,找到了类似马约拉拉纳费米子的演生粒子。所谓‘找到’,是说导电行为必须要用马约拉纳费米子来解释。

“这次他们发现的马约拉纳费米子是在二维磁性拓扑绝缘体与超导体的一维边界,这导致它是手征性的,也就是说沿着一个方向跑。”

 

重庆大学物理学院教授胡自翔表示:

“马约拉纳费米子是马约拉纳本人在1937年解狄拉克方程猜出来的,反粒子是其自身的特点是它最奇特之处。物理学家80年来一直在寻找这种神奇的粒子,粒子物理中的中微子有可能是马约拉纳费米子,但其验证十分困难。

“凝聚态物理学家发现在一些特定的凝聚态系统中的集体激发会出现具有马约拉纳性质的零模。例如填充因子5/2的分数量子霍尔效应中的准粒子激发,拓扑超导体内涡旋激发等。

“近年来在反常量子霍尔效应等对实验条件要求相对较低的系统出现后,人们发现一些界面系统,如超导与拓扑绝缘体异质结等能发现这种零模。去年上海交大的贾金锋研究组的实验和这次的实验采用的正是这种系统。”

 

潘磊同时还表示:

“我们此次发现的一大基础是利用了反常量子霍尔效应,这是中国科学院物理研究所研究员、清华大学教授薛其坤于2013年发表在《科学》杂志(Science)上的重大发现。”

 

这项发现的应用价值是什么?

那么,发现这种准粒子的存在有什么意义?可以应用到哪些领域里去?

潘磊在采访中表示:“虽然没有发现马约拉纳费米子,但是只要符合马约拉纳费米子的性质,就有可能用来实现拓扑量子计算。

“拓扑量子计算机(Topological Quantum
Computer)的优势在于,它对外在噪声的抵抗力比普通的量子计算机更强,更具鲁棒性。最近几年,随着‘拓扑量子计算机’概念的出现,马约拉纳费米子受到了广泛的关注。”

何庆林告诉我们:“我们已经成功探测到这种粒子;下一步我们将制备出电子芯片,实现基于这一粒子为基础的拓扑量子计算机电脑芯片。”

 

南开大学物理学院教授孟新河评论:“这次的发现意义重大,至少在人工制备/调控、操纵量子态领域取得了巨大进展,肯定对量子信息领域有重要影响,对量子信息科学发展和应用帮助极大。”

 

胡自翔在采访中表示:“马约拉纳费米子未来可能会应用于拓扑量子计算领域,因为马约拉纳零模受到系统的拓扑保护,可以用来构造具有容错功能的量子计算机。目前微软,IBM等知名企业已经投入了大量的资金来研究量子计算机,微软公司去年已经宣布了拓扑量子计算机的原型,马约拉纳在其中具有十分重要的作用。”

 

科学家们是如何评价这项发现的?

虽然并没有如媒体所说“结束了80年的追寻”,这次的发现仍然十分重要,科学家们也对研究团队及其工作给出了肯定的评价。

“这是一个很不错的工作,”文小刚教授说,“1993年我在《物理评论快报》(Physics
Review
Letters)上发表的文章中,预言了一维手征马约拉纳费米子可以出现在非阿贝尔量子霍尔态的边界上。1999年,Read-Green预言了一维手征马约拉纳费米子可以出现在二维手征p波超导体的边界上。这次的新工作发现了一个具体的界面系统,其可模拟或者实现二维手征p波超导体,从而也实现了一维手征马约拉纳费米子。Read-Green的工作之后,大家一直想实现二维手征p波超导体及其边界上的一维手征马约拉纳费米子。这次终于做到了。”

 

潘磊在采访中告诉果壳网:“我们的实验可以说是首次最有力地证明马约拉纳费米子模(Majorana
fermion
mode)存在于拓扑超导体中。之前的实验偏向于用STM/STS(STM:扫描隧道显微镜;STS:扫描隧道谱)等手段来甄别,这就可能有其他平庸的解释(即表现的像Majorana
fermion
mode,但实际确另有原因);而我们的工作是基于马约拉纳费米子模在一维输运方面的特殊性质(区别于之前的零维实验),基本上除了马约拉纳费米子模找不到其他原因来解释,这也是我们文章中重点讨论的一部分,即排除其他可能性,所以说实验更加干净。”

论文中的实验配置方式。图片来源:论文原文

 

施郁接受采访时表示:“这支团队的工作将理论与实验结合了起来。”

 

戴希评论说:“在这次的新实验中,在样品的边缘,真正实现了一个具有手性的一维马约拉纳型准粒子系统,跟之前主要通过谱学手段发现的马约拉纳零能模有很大的不同。并且在一点上超越了之前的工作,即他们在输运实验上真正看到了一个霍尔效应的半整数平台,这是存在马约拉纳型准粒子的一个重要理论预言,这次真的观察到了。

“他们的主要结果其实一年多前就有了,但是Science的审稿人非常专业,建议他们做了好几个补充实验,用以排除其他可能性,现在的结果应该是可信度颇高的。

“在输运实验中看到严格的半个量子平台,其科学意义比之前谱学实验中的零能峰又前进了一大步,因为谱学实验的峰宽,峰高,都不是量子化的,一些其他物理效应也可能导致零能峰的出现,而且在一个有一定宽度的零能峰里除了真正的马约拉纳零能模以外,还可能夹杂着其他低能准粒子峰,从而导致马约拉纳零能模的所谓‘准粒子中毒’,不利于进一步操控实验的开展。

“因此,从这个意义上说,这个新实验会在科学史上占有一个重要地位,不过能不能拿诺奖就不好说了,毕竟离实际操控马约拉纳模,以实现拓扑量子计算还有很长的距离要走。”

致谢:清华大学交叉信息研究院量子信息中心助理研究员尹璋琦博士、中科院物理所副研究员罗会仟博士对此文亦有帮助,一并致谢。

(编辑:吴欧)

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