马约拉纳费米子

国际频道 2020-01-17123未知admin

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  (英语:Majorana fermion)是一种费米子,它的反粒子就是它本身,1937年,埃托雷·马约拉纳发表论文假想这种粒子存在,因此而命名。与之相异,狄拉克费米子,指的是反粒子与自身不同的费米子。

  (英语:Majorana fermion)是一种费米子,它的反粒子就是它本身,1937年,埃托雷·马约拉纳发表论文假想这种粒子存在,因此而命名。与之相异,狄拉克费米子,指的是反粒子与自身不同的费米子。

  除了中微子以外,所有标准模型的费米子的物理行为在低能量状况与狄拉克费米子雷同(在电弱对称性后),但是中微子的本质尚未确定,中微子可能是狄拉克费米子或马约拉纳费米子。在凝聚态物理学里,马约拉纳费米子以准粒子激发的形式存在于超导体里,它可以用来形成具有非阿贝尔统计的马约拉纳态。

  这一概念由马约拉纳于1937年提出,他对狄拉克方程改写得到了马约拉纳方程,可以描述中性自旋1/2粒子,因而满足这一方程的粒子为自身的反粒子。

  马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化产生及湮没算符表示。产生算符

  目前的基本粒子中尚无已知的马约拉纳费米子。不过现在对于中微子的本质仍缺乏了解,它有可能是马约拉纳费米子或狄拉克费米子。无中微子双β衰变可以视为一种双β衰变事件,在这事件中,假若中微子确为马约拉纳费米子,则产生的两个中微子会立刻相互湮没,因为它们彼此都是对方的反粒子。目前已有实验在寻找这类衰变的踪迹。

  在强子对撞机里,无中微子双β衰变过程的高能量类比是同正负带电轻子对的产生。大型强子对撞机超环面仪器与紧凑μ子线圈正在寻找这类事件。在手征对称性理论里,这两种过程之间存在着深厚的关连。根据翘翘板机制,一种最为学术界接受的对于为什么中微子质量会如此微小的解释,中微子是个天然的马约拉纳费米子。

  马约拉纳费米子不能拥有电矩磁矩,只能拥有环矩。由于与电的相互作用非常微小,它是冷暗物质的可能候选。超对称模型中假想的中性微子是马约拉纳费米子。

  在超导材料中马约拉纳费米子可作为准粒子产生。在超导体里准粒子是自己的反粒子,因此使得这行为可以发生。超导体会电子空穴对称于准粒子激发,将能量为E的产生算符

  关联在一起。当能量(费米能级)E为零时,γ=γ†,马约拉纳费米子会于某个缺陷,整个物体称为“马约拉纳态”或“马约拉纳零模”。这术语比较合适,因为这些物体不再遵守费米统计,而阿贝尔统计(non-Abelian statistics)的任意子,变换次序会改变系统的状态。马约拉纳态所遵守的非阿贝尔统计使得它们有可能被应用于拓扑量子计算机。

  由于费米能级位于超导能隙中,因而出现中间能隙态(midgap state)。中间能隙态可能被俘获于某些超导体或超流体的量子涡旋中,因此可能是马约拉纳费米子的发源处。另外,超导线的端点或超导线缺陷处的肖克利态也可能是马约拉纳费米子的纯电系发源处。另外还可以用分数量子霍尔效应替代超导体为马约拉纳费米子的发源。

  2008年,傅亮与查尔斯·凯恩(Charles Kane)给出突破发展,他们预言马约拉纳态会出现于拓扑绝缘体与超导体的界面。随后,物理学者发表了很多类似论文。

  自傅亮等的论文发表后,许多科学家都试图做实验在超导体中寻找马约拉纳费米子。2012年物理学者发现了马约拉纳准粒子可能存在的首个。来自荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所的研究团队进行了相关实验,他们将锑化铟纳米线与一条电相连,一边为正常的金电极接触区域,另一边为超导体薄片接触区域。设备于中等强度的中,当在两个电极间的电压为0时导电率出现峰值,这与一对马约拉纳态的形成相吻合,纳米线与超导体薄片接触区域的两端各有一个马约拉纳费米子。几乎与此同时,由以及美国普渡大学也各自地在基于铌和锑化铟约瑟夫森结结构中分别观察到马约拉纳费米子所引起的零偏压电导峰及交流分数约瑟夫森效应。随后,更多实验室发现零偏压电导峰现象,如以色列威尔兹曼研究所在砷化铟、丹麦玻尔研究所在更为的外延砷化铟-铝系统中都发现了这种零能态。

  更多也在基于扫描探针系统中被发现。2014年,普林斯顿大学研究团队使用低温扫描显微镜发现在超导铅元素板表面的一条铁元素长链的两端会出现零能电导峰。未参与这项实验的理工学院物理学者杰森·阿理夏(Jason Alicea)评论,这项实验给出马约拉纳费米子存在的“令人信服”的,但是“我们应该注意到还有可能的解释——即使暂时还没有这样的理论”。

  中国科学家在该领域也做出了杰出贡献。2016年初,上海交通大学科研团队在实验室里成功地在超导拓扑薄膜系统中探测到了具有零能的漩涡态,并证明这种零能态具有安德烈夫反射自旋选择性,这为马约拉纳零能态提供了另外一种判据,使实验事实更加可靠。

  2017年,团队与大学分校王康隆团队、大学欧文分校夏晶团体合作,在超导-量子反常霍尔平台中发现了具有半个量子电导的边缘电流,与理论预言的手性马约拉纳粒子十分吻合。这是在霍尔效应平台系统中第一个具有确凿的马约拉纳测量结果。

  这些基于超导体平台的实验可能了理论的马约拉纳零能态。但是,具备零能态只是马约拉纳准粒子众多性质中的一个,其它很多现象也可导致零能态。虽然零能态以及半个量子电导的越来越精确的测量可以排除大部分干扰因素,但是马约拉纳准粒子的必须找到更令人信服的,例如,非阿贝尔统计特性以及拓扑等。

  近日,美国科学家又取得了重要突破性进展,外媒评价称有望突破量子计算机的关键瓶颈…据称,这种全新的物质状态可以大幅提升量子计算机的性能,意义非凡。然而,目前量子计算机所面临的瓶颈之一就是量子位的稳定性。

  寇煦丰课题组等8家单位合作完成的一项研究——研究团队首次在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体结合的异质结构中发现了一维手性马约拉纳费米子存在的 。此次工作也是继去年6月

  最近,马约拉纳费米子这个物理概念走进了大家的视野。那么,什么是基本粒子?什么又是费米子?反粒子和反物质存在吗?基本模型是什么?目前,马约拉纳费米子的候选者主要是中微子。

  等团队合作在美国《科学》上发表了这一重大发现。从此以后,中有粒子必有其反粒子被认为是不变的真理。而马约拉纳费米子则没有正反之分,这也是为什么张首晟称此次发现的是“粒子”的原因。“粒子和准粒子就像球员和球队的关系。”

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