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馬約拉納費米子研究再進(jìn)一步!中外隔空聯(lián)動共探拓?fù)淞孔恿W(xué)

2025-01-28 08:32  瀏覽:  

長期以來,電子一直被視為不可分割的基本粒子。然而,最新研究表明,在量子力學(xué)的支配下,納米電子電路中的電子能夠表現(xiàn)出“分裂成兩半”的行為。

具體來說,在量子干涉下,納米電子電路允許電子選擇路徑并與自身發(fā)生干涉,從而產(chǎn)生類似神秘的馬約拉納費米子的效應(yīng),創(chuàng)造出模擬半個電子行為的狀態(tài)。這種被稱為“分裂電子”的現(xiàn)象,可能成為推動量子計算技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

該研究最近發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上,由都柏林大學(xué)物理學(xué)院的安德魯·米切爾教授和丹巴德印度理工學(xué)院的蘇德什娜·森博士領(lǐng)導(dǎo),兩位都是專注于納米級電子電路量子特性的理論物理學(xué)家。

量子力學(xué)重新定義微型化電子學(xué)

“電子學(xué)的微型化如今已經(jīng)發(fā)展到電路組件僅有納米級別的地步。在這個尺度上,規(guī)則完全由量子力學(xué)設(shè)立,你必須放棄對事物運作方式的直觀理解。”森博士表示:“流經(jīng)導(dǎo)線的電流實際上由大量電子組成,隨著導(dǎo)線尺寸不斷縮小,就可以逐個觀察電子通過。我們現(xiàn)在甚至可以制造出僅用單個電子工作的晶體管。”當(dāng)一個納米電子電路被設(shè)計成讓電子能夠在兩條不同路徑之間進(jìn)行“選擇”時,就會發(fā)生量子干涉。米切爾教授解釋道:“我們在這些電路中觀察到的量子干涉現(xiàn)象,與著名雙縫實驗中觀察到的量子干涉非常相似。”

探索雙縫實驗中的量子波動奧秘

雙縫實驗是一種“雙路徑實驗”,展示了電子等量子粒子的波動特性,這一發(fā)現(xiàn)直接推動了 20 世紀(jì) 20 年代量子力學(xué)的發(fā)展。在實驗中,單個電子被射向一個帶有兩個微小孔隙的屏幕,其最終落點被記錄在另一側(cè)的感光板上:由于電子可以同時通過兩條路徑或通過其中任一路徑,從初始點抵達(dá)最終點,因此兩條路徑的程差促使其量子態(tài)發(fā)生相移,因此產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。實驗結(jié)果是,最終落點的屏幕上形成了高強(qiáng)度和低強(qiáng)度條紋交替出現(xiàn)的干涉圖樣。由于相消干涉,在某些位置找到電子的概率可能為零——這就好比兩列波的波峰與波谷相遇并完全抵消的過程。米切爾教授表示:“在納米電子電路中也是如此。沿著電路不同路徑運動的電子可能發(fā)生相消干涉,從而阻止電流的流動,這種現(xiàn)象此前已在量子器件中被觀察到。而我們發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象是,通過迫使多個電子足夠靠近,使它們彼此產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互排斥作用,量子干涉會隨之改變。盡管電路中僅有電子這一種基本粒子,但它們的集體行為卻像單個電子被一分為二一樣,表現(xiàn)出了馬約拉納費米子特性。”

馬約拉納費米子與量子計算未來潛力

1937 年,意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納提出一種預(yù)言,假想存在一種正反粒子同體的特殊費米子。由于狀態(tài)穩(wěn)定且遵循特殊的統(tǒng)計規(guī)律,馬約拉納費米子被看作是制造拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)的完美選擇之一。為了捕獲這種粒子,世界各地物理學(xué)家潛心追蹤近百年,但受限于理論預(yù)言和實驗驗證之間的難度等因素,一直未能如愿,探索馬約拉納費米子也成為國際凝聚態(tài)物理的前沿?zé)狳c。2016 年,中國科學(xué)家賈金峰團(tuán)隊率先“捕捉”到這個神秘粒子,這也是全球首次確切探測到馬約拉納費米子的存在。一直以來,由于馬約拉納費米子被上方的超導(dǎo)材料覆蓋,導(dǎo)致“捕捉”成為艱難挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院副院長、南方科技大學(xué)代理副校長賈金鋒從事拓?fù)涑瑢?dǎo)量子計算領(lǐng)域研究已近 20 年,面對上述挑戰(zhàn),賈金峰院士團(tuán)隊獨辟蹊徑地把超導(dǎo)材料置于下方,使其上方“生長”出拓?fù)浣^緣體薄膜,令拓?fù)浣^緣體薄膜的表面變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體,從而將馬約拉納費米子翻到“明面”上進(jìn)行o觀察,標(biāo)志著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得重大突破。賈金峰院士曾提到,若想操控馬約拉納費米子的移動,還需要物理學(xué)和工程學(xué)兩個領(lǐng)域的科研人員合作推動。如果能夠在電子器件中生成并操控馬約拉納粒子,這一發(fā)現(xiàn)可能對新型量子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。“近年來,人們一直在熱切研究馬約拉納粒子,因為它們是拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)的關(guān)鍵組成部分之一。”就最新研究突破,都柏林大學(xué)物理學(xué)院的米切爾教授表示:“我們或許已經(jīng)找到了一種利用量子干涉效應(yīng)在納米電子器件中生成這些粒子的方法。”

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