【中國科學報】每年必發Science、Nature的團隊,今年果然又發了!
2022-06-10
文章來源: 中國科學報

2021年8月底的一個深夜,北京北四環邊,白日的喧囂已歸于平靜,中國科學院物理研究所(以下簡稱物理所)的燈仍然亮著,實驗室里靜得只剩下呼吸聲。

在一個裹著銀色錫紙的儀器邊,副研究員李更等待著實驗結果。

幾乎就在一瞬間,困意徹底遠離了他。因為此時的電腦屏幕上,原本應該平整的四方圖案出現了豎向的波紋,波紋中還穿插著斜向的條紋。


研究組最初看到的奇特波紋(雙軸電荷密度波)形貌  中科院物理所供圖

6月8日,《自然》發表了由這個意外發現引發的新成果:中國科學家在鐵基超導材料鋰鐵砷(LiFeAs)中,觀測到大面積、高度有序、可調控的馬約拉納準粒子格點陣列。

該發現被認為“對實現馬約拉納準粒子的編織以及拓撲量子計算具有里程碑的意義”。

科學家們的新理想

“你們想做的拓撲量子計算,到底是什么?”

這是李更常被親朋好友們問到的問題。

人類對于大規模信息處理需求的劇增,使得量子計算被賦予了極高的期待,“量子計算”四個字也幾乎家喻戶曉。

但是,很多人不知道,量子計算一直有個讓人頭疼的問題,即噪聲等外界環境的擾動會對量子系統造成影響,使計算過程不可避免地產生并積累錯誤。

正因如此,科學家們有了一個新的理想——研制“拓撲量子計算機”。

“拓撲量子計算是一種容錯率更高的量子計算?!崩罡f。

然而,要實現拓撲量子計算,不僅要求微觀世界的粒子符合一種名為“非阿貝爾統計”的規律,還需要科學家有能力把微觀世界里的粒子像編麻花辮一樣編織起來。

也就是說,在這個領域,誰有能耐看清并操控微觀世界,誰才有可能最先實現拓撲量子計算。


在實驗室工作的李更  中科院物理所供圖

一次意外控制住一種神奇粒子

李更是物理所高鴻鈞院士團隊中的一員。這支團隊雖然規模不大,卻是全球最被關注的幾支向拓撲量子計算發起挑戰的團隊之一。

2018年,高鴻鈞團隊最早在鐵基超導材料中觀測到一種神奇粒子——馬約拉納準粒子。這種粒子符合實現拓撲量子計算的要求,如果科學家能夠編織它,就有可能實現拓撲量子計算。這項成果發表于《科學》,并很快引起國際同行關注。

2020年,他們又在鐵基超導材料中觀測到馬約拉納準粒子的電導平臺,進一步證明了馬約拉納準粒子的存在。該成果又一次發表于《科學》。

這些年,他們一直在各種鐵基超導材料中尋找這種神奇粒子的身影。

“鐵基超導材料體系存在材料組分不均一、馬約拉納準粒子占比低、陣列無序且不可控等問題?!备啉欌x判斷,他們需要找到大面積、高度有序、可調控的馬約拉納準粒子陣列,才能向拓撲量子計算更進一步。

直到2021年8月底的那個夜晚,異常波紋出現了。

李更把情況匯報給高鴻鈞,他們討論后決定給樣品加一個垂直的磁場試試。

更奇特的現象出現了。代表馬約拉納準粒子的亮斑,整整齊齊地排列在縱向的波紋上。

李更試著把磁場調得再強一點,馬約拉納準粒子亮斑也隨之變得更密。當亮斑越來越近時,它們彼此間還出現了相互作用和關聯的跡象。

從那天起,研究團隊開始小心翼翼地保持著儀器針尖和樣品的位置。

“在找到原因和規律之前,我們一直擔心一旦位置挪動就再也看不到這種奇特現象?!崩罡嬖V《中國科學報》。

經過半年摸索,他們把神奇粒子陣列出現的原因鎖定在“應力”上。

“自然應力可以誘導晶體產生大面積、高度有序、可調控的馬約拉納準粒子陣列,而這種有序的馬約拉納準粒子陣列可以被外磁場調控?!备啉欌x說。


用磁場調控大面積有序的馬約拉納準粒子陣列  中科院物理所供圖

“為什么別人沒有看到?”

去年11月,他們把新發現寫成論文投給《自然》。然而,評審人對成果倍感意外:“為什么別人沒有看到?”

“該怎么說服審稿人呢?”作為論文共同第一作者的李更一邊想,一邊看著身邊的“老伙計”——裹著銀色錫紙的“掃描隧道顯微鏡”。

顯微鏡的外觀并不起眼?!斑@是我們自行設計、搭建、組裝的儀器?!闭撐耐ㄓ嵶髡吒啉欌x說。

從2006年開始,實驗室先后設計、建成了三代掃描隧道顯微鏡。他們使用的那臺是第二代儀器,溫度可以達到0.4K(-272.75攝氏度),可以給樣品加3個方向的磁場,能量分辨可以達到0.3毫電子伏特。

這些數字帶來的直觀結果是,科研人員可以把原子從分子上切下來,想切幾個切幾個,想切哪里切哪里。也正因為儀器的超強“視力”,使得他們清清楚楚地看見并操控了馬約拉納準粒子陣列。

就像這個其貌不揚卻實力不俗的儀器一樣,在高鴻鈞團隊的實驗室里,有很多看似隨意實則深思熟慮的地方?!熬瓦B用來屏蔽干擾的錫紙該裹在哪里,都是有經驗和訣竅的?!备啉欌x指著包裹著儀器的不太美觀的錫紙說。

但是,“儀器好”“經驗足”并不是能夠說服審稿人的科學依據。于是,研究組又用了兩個月,在實驗室的另一臺掃描隧道顯微鏡上,用另一個鋰鐵砷材料樣品重復出同樣的實驗結果。

看到重復實驗的結果后,審稿人感慨:“我所有的疑問都得到了令人滿意的解答?!?/p>

“這些結果新穎且令人興奮?!绷硪晃辉u審人說。


高鴻鈞與掃描隧道顯微鏡  倪思潔攝

每年一篇《自然》《科學》論文

對于這次發現,高鴻鈞用“必然的偶然發現”來形容。

在他看來,“必然”不僅來自于儀器的高精度,更得益于研究組的高效率。

他的團隊有一個很特別的習慣,熱衷于在半夜兩三點鐘工作?!耙股钊遂o的時候,可以避免電噪聲、機械噪聲對儀器的干擾?!备啉欌x說。

從2018年發現馬約拉納準粒子之后,這些年來,實驗團隊始終保持著高速運轉。

“團隊里都是年輕的科研人員和學生,我們工作起來非常高效。從2018年開始,每年在這個方向上都有一篇《自然》或《科學》成果?!备啉欌x說。

此外,對于研究組來說,合作也十分重要。

“這些年來,我們不是打一槍換一個地方的游擊式科研,而是和研究所內外的團隊聯合起來,以建制化的方式不斷推進這項研究?!备啉欌x說,此次研究就是與物理所靳常青研究組、美國波士頓學院的汪自強合作的結果。

盡管話語中充滿自豪與興奮,但面對未來,高鴻鈞很冷靜:“這只是一個階段性的基礎科學進展,基于馬約拉納準粒子的拓撲量子計算還有很長的路要走?!?/p>

李更告訴《中國科學報》,下一步,他們要進一步研究應力對雙軸電荷密度波的影響,用可控的方法,把超導材料壓出雙軸電荷密度波條紋。

他們還有一個更遠的目標?!白屜嗷タ拷鸟R約拉納準粒子交換位置,實現對馬約拉納準粒子的編織,向拓撲量子計算再進一步?!备啉欌x說


科研團隊合影  中科院物理所供圖

相關論文信息:

https://doi.org/10.1126/science.aao1797

https://doi.org/10.1126/science.aax0274

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04744-8

原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/cwSa9GQUJjK1BInMqNs8Xw