中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一維拓?fù)溥吔鐟B(tài) 有望叩開高能量子計(jì)算大門

　　中國科學(xué)家基于鐵基高溫超導(dǎo)材料研究發(fā)現(xiàn)的新型一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)，有望為人類叩開高能量子計(jì)算機(jī)的大門。

　　近日，國際著名學(xué)術(shù)雜志《自然—材料》Nature Materials刊登了鐵基高溫超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要進(jìn)展——新型一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)的發(fā)現(xiàn)。拓?fù)涑瑢?dǎo)體最激動人心的應(yīng)用就是高能量子計(jì)算機(jī)，它能在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)錯誤，一旦出錯就會在信息處理過程中產(chǎn)生抵抗。

　　上述研究成果由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室的王征飛教授和美國猶他大學(xué)劉鋒教授、清華大學(xué)薛其坤院士及馬旭村研究員、中科院物理所周興江研究員合作獲得。

　　超導(dǎo)和拓?fù)涫枪腆w材料領(lǐng)域最有趣的兩個量子現(xiàn)象，二者糾纏形成的拓?fù)涑瑢?dǎo)形態(tài)，在量子現(xiàn)象領(lǐng)域更是引人注目，因此，超導(dǎo)材料與拓?fù)洳牧弦彩墙陙砟蹜B(tài)物理研究的兩大熱點(diǎn)。拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)是物質(zhì)的一種新狀態(tài)，有別于傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，拓?fù)涑瑢?dǎo)材料兼具超導(dǎo)材料和拓?fù)洳牧系奶匦裕瑑?nèi)部是超導(dǎo)態(tài)，而表面或邊界則存在厚度約為1納米的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的無能隙金屬態(tài)。如果把一個拓?fù)涑瑢?dǎo)體一分為二，其新表面又會自然出現(xiàn)一層厚度約1納米的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬態(tài)。

　　量子計(jì)算最理想的粒子——馬約拉納費(fèi)米子

　　與普通計(jì)算機(jī)通過二進(jìn)制方式處理數(shù)據(jù)不同，量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子物理機(jī)理處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。它采用次原子粒子“量子”來存儲和處理信息。量子計(jì)算機(jī)的速度快到什么程度？學(xué)界有比喻稱，如果現(xiàn)在的傳統(tǒng)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的速度是自行車，量子計(jì)算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。

　　為何時至今日，人類還未能造成一臺真正意義上的量子計(jì)算機(jī)？這是由于量子計(jì)算的粒子的“量子態(tài)”并不穩(wěn)定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應(yīng)進(jìn)行的計(jì)算。那么，就需要一種不受干擾的粒子。

　　最理想的粒子，是馬約拉納費(fèi)米子。理論物理學(xué)家曾預(yù)言，拓?fù)涑瑢?dǎo)材料在磁場下的渦旋中心會產(chǎn)生馬約拉納費(fèi)米子。由于馬約拉納費(fèi)米子的反粒子就是它本身，其狀態(tài)非常穩(wěn)定，不易被傳統(tǒng)的電磁或物理干擾破壞，可以被用于定義量子計(jì)算中的量子比特。

　　量子比特的相干性是指電子向右自旋和正電子向左自旋的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時間由于量子比特間的相干性的存在而有限制，經(jīng)過一定的時間后，量子比特間一旦遇到外界實(shí)體的觀測，會失去相干性，量子相干性衰減即為“退相干”，如果退相干時間不夠長，就無法完成計(jì)算。為了發(fā)揮量子計(jì)算的優(yōu)勢，硬件上需要保證量子比特的相干性，拓?fù)涑瑢?dǎo)材料有助于解決傳統(tǒng)量子比特的退相干問題，提高其存活時間，對于量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要性不言而喻。

　　那么馬約拉納費(fèi)米子跟拓?fù)溥吔鐟B(tài)以及超導(dǎo)材料又有什么關(guān)系呢？具備拓?fù)湟约俺瑢?dǎo)這雙重量子現(xiàn)象的新型超導(dǎo)材料，可以被認(rèn)為是一種特殊的絕緣體，利用這一點(diǎn)，可以“哄騙”電子跑到這種材料的表面，將其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R拉約那費(fèi)米子。

　　用物理學(xué)家L·安德魯·雷的話來說，具備這兩種特性的“超導(dǎo)體是產(chǎn)生和控制馬拉約那費(fèi)米子的理想育兒所。”

　　中國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域是世界領(lǐng)跑者

　　如何設(shè)計(jì)尋找拓?fù)涑瑢?dǎo)材料，一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。自然界中很多材料都只是單一的超導(dǎo)或者拓?fù)浣^緣體，超導(dǎo)和拓?fù)鋬煞N狀態(tài)很難在同一種物質(zhì)中共存。以往的研究思路是借助外延生長將拓?fù)洳牧戏胖迷诔瑢?dǎo)材料上或?qū)⒊瑢?dǎo)材料放置在拓?fù)洳牧仙?，通過鄰近效應(yīng)實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體。但這種復(fù)合材料對于生長工藝的要求十分苛刻，阻礙了拓?fù)涑瑢?dǎo)材料研究的發(fā)展。

　　在前述研究中，中國科學(xué)家以新型高溫超導(dǎo)材料FeSe/SrTiO3為研究對象，結(jié)合理論計(jì)算、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜，系統(tǒng)地研究了其反鐵磁電子構(gòu)型，在實(shí)空間觀測到自旋—軌道耦合所打開的拓?fù)淠芟吨幸环N新型一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)的存在。

　　該工作有助于進(jìn)一步理解FeSe/SrTiO3的高溫超導(dǎo)機(jī)制，為探索單一材料高溫拓?fù)涑瑢?dǎo)體和馬約拉納費(fèi)米子開辟了新途徑。

　　中國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域是世界領(lǐng)跑者。2013年，中科院物理研究所確定了鐵基為新一類高溫超導(dǎo)體，首次發(fā)現(xiàn)常壓下臨界溫度高于40K約零下233攝氏度的超導(dǎo)電性，突破了麥克米蘭極限溫度。2015年8月，中科院強(qiáng)磁場中心曾研發(fā)出一種新型高質(zhì)量單晶體，采用高溫熔融法把堿土金屬元素鍶插入到典型的拓?fù)浣^緣體材料硒化鉍中，獲得了高質(zhì)量的拓?fù)涑瑢?dǎo)單晶體。這種材料的超導(dǎo)性能高達(dá)91.5%，且在空氣中十分穩(wěn)定，在10特斯拉到35特斯拉磁場區(qū)間出現(xiàn)了周期性的量子振蕩信號，證明其存在拓?fù)浔Ｗo(hù)表面態(tài)。

　　由于其磁性因素，鐵基化合物曾一度幾乎被無數(shù)國際頂尖物理學(xué)家斷言為探索高溫超導(dǎo)體的禁區(qū)。2014年1月，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；?、方忠為代表的中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實(shí)驗(yàn)室和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)因?yàn)樵凇?0K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”方面的突出貢獻(xiàn)獲得了國家自然科學(xué)一等獎。在此之前，這一獎項(xiàng)已經(jīng)連續(xù)3年空缺。

來源：澎湃

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