在顯微鏡下觀察Majorana費(fèi)米子的旋轉(zhuǎn)

普林斯頓大學(xué)的研究人員 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種難以捉摸的粒子的獨(dú)特量子特性，這種粒子值得注意像物質(zhì)和反物質(zhì)一樣同時(shí)表現(xiàn)。這種被稱為Majorana費(fèi)米子的粒子受到研究人員的青睞，因?yàn)樗锌赡転樾碌牧孔佑?jì)算可能性敞開大門。

在本周發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上的 研究中，研究小組描述了他們?nèi)绾卧鰪?qiáng)現(xiàn)有的成像技術(shù)，稱為掃描隧道顯微鏡，以捕獲來自在表面上拉伸的原子級(jí)細(xì)鐵絲兩端的Majorana顆粒的信號(hào)。鉛的水晶。他們的方法涉及檢測(cè)稱為自旋的獨(dú)特量子特性，已經(jīng)提出用于在包含Majorana粒子的電路中傳輸量子信息。

“Majoranas的自旋特性將它們與材料中出現(xiàn)的其他類型的準(zhǔn)粒子區(qū)分開來，”1909年普林斯頓大學(xué)物理系教授Ali Yazdani說 。“這種特性的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)為這種奇特的粒子提供了獨(dú)特的特征。”

該發(fā)現(xiàn)建立在該團(tuán)隊(duì)2014年發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，該 發(fā)現(xiàn)也發(fā)表在 科學(xué)上，Majorana費(fèi)米子在一個(gè)原子寬的鐵原子鏈頂部的鉛基底上。在該研究中，掃描隧道顯微鏡首次用于可視化馬約拉納斯，但沒有提供其性質(zhì)的其他測(cè)量。

“我們的目標(biāo)是探索Majoranas的一些特定量子特性。這些實(shí)驗(yàn)不僅進(jìn)一步證實(shí)了它們?cè)谖覀兊逆湕l中的存在，而且開辟了使用它們的可能方式。“Yazdani說。

最初由物理學(xué)家Ettore Majorana在20世紀(jì)30年代末理論化，粒子很吸引人，因?yàn)樗洚?dāng)了它自己的反粒子。在過去幾年中，科學(xué)家們已經(jīng)意識(shí)到他們可以設(shè)計(jì)一維導(dǎo)線，例如當(dāng)前研究中超導(dǎo)表面上的原子鏈，以使Majorana費(fèi)米子出現(xiàn)在固體中。在這些導(dǎo)線中，Majoranas在鏈的任一端成對(duì)出現(xiàn)，條件是鏈條足夠長(zhǎng)，使Majoranas保持足夠遠(yuǎn)，使得它們不會(huì)相互湮滅。在量子計(jì)算系統(tǒng)中，信息可以同時(shí)存儲(chǔ)在線路的兩端，從而提供抵抗固有脆弱量子態(tài)的外部中斷的魯棒性。

先前用于檢測(cè)Majoranas的實(shí)驗(yàn)努力已經(jīng)使用了它既是粒子又是反粒子的事實(shí)。指示標(biāo)記在量子隧道測(cè)量中稱為零偏置峰值。但是研究表明，這種信號(hào)也可能是由于一對(duì)普通的準(zhǔn)粒子可能會(huì)出現(xiàn)在超導(dǎo)體中。物理學(xué)教授 Andrei Bernevig 和他的團(tuán)隊(duì)，他們與Yazdani的小組提出了原子鏈平臺(tái)，開發(fā)了一種理論，該理論表明使用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行的自旋極化測(cè)量可以區(qū)分一對(duì)普通準(zhǔn)粒子的存在和馬約拉納。

通常，掃描隧道顯微鏡(STM)涉及在結(jié)構(gòu)上拖動(dòng)細(xì)尖電極，在這種情況下是鐵原子鏈，并檢測(cè)其電子特性，從中可以構(gòu)建圖像。為了進(jìn)行自旋敏感測(cè)量，研究人員創(chuàng)造了以不同方向磁化的電極。這些“自旋極化”STM測(cè)量結(jié)果顯示出與Bernevig及其團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算一致的特征。

“事實(shí)證明，與傳統(tǒng)準(zhǔn)粒子的情況不同，Majorana的旋轉(zhuǎn)不能被背景屏蔽掉。從這個(gè)意義上說，這是對(duì)馬約拉納州存在的試金石，“伯內(nèi)維格說。

Majorana的量子自旋特性也可能使它們對(duì)量子信息的應(yīng)用更有用。例如，在任一端具有Majoranas的導(dǎo)線可用于在依賴于電子自旋的遠(yuǎn)距離量子位之間傳遞信息。電子自旋和馬約拉納斯的糾纏可能是利用其屬性進(jìn)行量子信息傳遞的下一步。