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马约拉纳费米子是反什么 马约拉那费米子( 二 )


我们想找的不是一个真的单个的粒子，是一个准粒子，是在固体里面，我们经常提到的准粒子，它是代表很多个电子、原子共同的性质 。知道了这个以后，我们就可以开始进行下一步了，看看怎么找这个马约拉纳费米子 。
马约拉纳费米子是存在一种叫做拓扑超导的材料里面 。所有自然界的材料，它们有导电的，有不导电的，导电的叫导体，不导电的叫绝缘体 。超导体电阻为0，它比一般的导体要好，就是在导电过程中没有电阻，这叫超导体 。

马约拉纳费米子是反什么 马约拉那费米子

文章插图
超导体前面加两个字叫拓扑超导体，这个东西是什么材料呢？这里我再解释一下，拓扑超导体是拓扑绝缘体发现以后，人们发现的另外一种物质的状态，这是一种新型的超导体，在它的表面就会存在着马约拉纳费米子 。
但实际上自然界中我们发现了成千上万种超导体，没有一种是拓扑超导体 。拓扑超导体在自然界中不存在，这就是一个很大的问题 。就是说你要找到马约拉纳费米子，就必须找拓扑超导体，但是拓扑超导体在自然界中没有，怎么办？
还好我们前面听说过有一个叫拓扑绝缘体的材料，有一个理论预言，如果把拓扑绝缘体和超导体放在一起，他们俩就可以再组合成拓扑超导体 。如果我们把拓扑绝缘体和超导体组合在一起，怎么样把它巧妙地组合起来，组合出这种拓扑超导体，然后我们就可以做马约拉纳费米子了 。
我们的方案就是从这开始的，组超导体并不是那么容易，我们在做这个实验之前，我们有一定的实验积累，我们把扫描隧道显微镜和一种叫分子数外延的寻找材料的方法结合在一起，这样我们在材料制备上就达到了世界领先水平 。我们可以一个原子层一个原子层的去找原子，这样找出来的材料应该是世界上最好的纯度 。
有了这些技术以后，我们就通过另外的一个实验的设计，很容易的找出了拓扑超导体，并且通过巧妙的设计，把这个拓扑超导体设计成比较有利于我们的实验观察的形式 。所以有了这个材料之后，我们就可以比较好的进行我们的实验 。
我们的实验是用了扫描隧道显微镜技术，这个扫描隧道显微镜是目前唯一的能够在实空间里面看见真实原子的显微镜，它的放大倍数非常大 。说起来这个显微镜很神奇，但是实际上原理很简单，它的原理就是相当于用一个手指头在表面上去摸，原子有起伏，你就会感觉出来，但实际上不是用的手指头，而是用的一个非常尖的针，针从表面上划过的时候，我们去测量针和亚米原子之间的电流，如果针和亚米原子之间非常近的时候电流大，远的时候电流就小，这样我们可以记录表面上的高低起伏有没有原子 。
另外我们用的这个针有磁性，有了磁性以后，表面上，有磁性的原子和没磁性的原子就可以区别开来，这样我们就可以用这样一个扫描隧道显微镜既研究表面上的结构，也研究表面上的磁性 。这个就叫自旋极化扫描隧道显微镜，有了这个东西，又有了我们的材料，就可以开始我们的研究 。
其实我们这个研究也不是那么容易，找到了材料以后，又有了高级的设备，我们也是用了好几年的时间，原因是什么，原因就是我们并不知道马约拉纳费米子到底长什么模样，和普通的超导体有什么区别 。你看见了什么东西，就是看见了马约拉纳费米子 。所以我们花了好几年的时间，我们找各种各样的与普通超导体不一样的信号，找到了这个信号以后看看它跟马约拉纳费米子是不是一样 。
这样摸索了好几年以后，终于我们找着了一种叫做自旋极化电流的东西，这就是我们用的样品，其实样品很小，这是一、二、三，三个样品，真正起作用的就是中间一小点 。在这个样品上，这就是我们做的拓扑超导样品，在这个样品上我们又观察到了自旋极化电流，自旋极化电流确实是由马约拉纳费米子产生的 。通过这个观察我们证明了马约拉纳费米子的存在 。
最后我们再来讲一下，马约拉纳费米子的发现对我们有什么用？我刚才讲了它可以用来做拓扑量子计算 。量子计算非常有用，速度非常快，能够处理现有的整个世界上加起来计算能力更大的东西 。但是量子计算并不是那么容易实现的，原因之一就是你想把所有的量子比特给它纠缠起来，然后保持它在一个相当长的时间之内完成这个量子计算很困难，有很多噪音杂质的影响 。所以量子计算到目前为止还没有实现 。


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