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导读

近日，瑞典查尔姆斯理工大学的科研团队成功地制造出一种拓扑超导体，它能够很好地产生马约拉纳费米子，克服量子退相干，有望成为量子计算机稳定的构建模块。

背景

遍布全球的研究人员都在努力构建量子计算机，然而目前最大挑战之一就是让量子系统克服对于退相干（叠加态的坍塌）的敏感性。因此，量子计算机研究中的一个方法就是利用马约拉纳费米子（Majorana fermion）。微软也在决心开发这种类型的量子计算机。

马约拉纳费米子是一种费米子，它的反粒子就是其本身。马约拉纳费米子是自然界本身存在着的‘独立’的正负粒子集合体，它具有‘粒子’激发态的本证。这一概念由埃托雷·马约拉纳于1937年提出，他对狄拉克方程式改写得到了马约拉纳方程式，可以描述中性自旋1/2粒子，因而满足这一方程的粒子为自身的反粒子。

马约拉纳费米子是高度原始的粒子，与那些组成我们身边的材料的粒子大不相同。用高度简化的术语来说，它们可以被当作半个电子。马约拉纳费米子对于量子退相干不敏感，因此它有望成为量子计算机稳定的构建模块。

科学家们想要在量子计算机中，将在材料中一对分开的马约拉纳费米子用于编码信息。然而，问题是马约拉纳费米子只在非常特殊的情况下才能产生。

创新

近日，瑞典查尔姆斯理工大学（ Chalmers University of Technology）成功地制造了一种组件，该组件能够很好地容纳这种广受欢迎的粒子：马约拉纳费米子。

（图片来源：Johan Bodell/Chalmers）

在固态材料中，马约拉纳费米子只在拓扑超导体中出现。拓扑超导体是一种非常特别的新型超导体，它很难在实践中发现。但是，近日瑞典查尔姆斯理工大学成为了世界上首个实际上成功制造出拓扑超导体的科研机构之一。

查尔姆斯理工大学量子装置物理实验室的教授 Floriana Lombardi 表示：“我们的实验结果与拓扑超导体一致。”

技术

为了创建出非传统的超导体，他们从一种拓扑绝缘体开始，这种绝缘体由碲化铋（Be2Te3）制成。拓扑绝缘体本质上只是一种绝缘体，换句话说，它不导电。但是，在其表面，它以一种非常特殊的方式导电。研究人员在其顶层放置了一层传统超导体，在这个案例中是铝，它在低温下以完全没有电阻的状态导电。

量子装置物理实验室的副教授 Thilo Bauch 解释道：“然后，这种超导的电子对漏入拓扑绝缘体中，它也变成了超导的。”

然而，最初的测量全部显示，在 Bi2Te3 拓扑绝缘体中，它们只有标准的超导感应。但是，当它们将组件冷却下来以后，照例地重复进行一些测量，情况突然改变了，超导电子对在不同方向上，呈现出不同的特性。

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

Lombardi 表示：“这并不兼容所有传统超导性。突然，意想不到且激动人心的事情发生了。”不同于其他研究团队，Lombardi 的团队使用铂将超导绝缘体与铝集合在一起。重复循环冷却增加了材料中的压力，也引起了超导性的改变。

价值

研究团队在彻底分析之后确认，他们很可能已经成功地创建出拓扑超导体。

Lombardi 表示：“对于实际应用来说，材料主要吸引了那些致力于构建拓扑量子计算机的科研人员的兴趣。我们自己想要拓展隐藏于拓扑超导体中的新物理，这将是物理学的新篇章。”

关键字

量子技术、拓扑绝缘体、超导

参考资料

【1】http://www.mynewsdesk.com/uk/chalmers/pressreleases/unconventional-superconductor-may-be-used-to-create-quantum-computers-of-the-future-2418742?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=Subscription&utm_content=pressrelease

【2】Sophie Charpentier, Luca Galletti, Gunta Kunakova, Riccardo Arpaia, Yuxin Song, Reza Baghdadi, Shu Min Wang, Alexei Kalaboukhov, Eva Olsson, Francesco Tafuri, Dmitry Golubev, Jacob Linder, Thilo Bauch, Floriana Lombardi. Induced unconventional superconductivity on the surface states of Bi2Te3 topological insulator. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02069-z