領跑在“量子高速路”上的中國戰車
銳·聚焦
作者：劉林森
我國科學家首次在實驗中發現量子反常霍爾效應，引起國際物理學界巨大反響，人們在讚歎我國科學家為之付出的艱辛努力的同時，不免對實現量子反常霍爾效應起到關鍵作用的拓撲絕緣體產生了濃厚興趣，那麼拓撲絕緣體究竟是什麼東西，它為何有如此神通廣大的能耐？
尋找“馬約拉納費米子”
一台大型超級計算機如果進行運算，每天所耗費的電也許和一座小城市的總耗電量相當。但如果是在量子計算機上運算，不僅運算速度會上千倍地提高，耗電量也會減少到和一台普通台式機相當。世界上許多國家都有研製量子計算機的設想，但一直受製於未能發現自然界的一種神奇粒子——馬約拉納費米子。物理學家認為，任何粒子都有它的雙胞胎兄弟，也就是它的反粒子。1937年，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納根據量子力學原理推斷出，自然界中可能存在一類特殊的費米子，它是自己的反粒子。也就是說這種粒子“分身有術”，自己是自己的雙胞胎兄弟。後來人們給它起了個名字叫“馬約拉納費米子”，顯然它可以擁有量子的怪異特性，這正是科學家倍感興趣的。
粒子世界有兩大人丁興旺的“家族”，即費米子和玻色子，它們分別是以物理學家費米和玻色的名字命名的。費米子家族的典型代表是電子，它存在於我們日常使用的各種電器中。玻色子家族最常見的代表是光子，也就是我們熟悉的光。如同一切電器的存在都依賴於電子這個費米子的存在，沒有電子，就沒有電器存在一樣，拓撲量子計算也必須依賴“馬約拉納費米子”，因為隻有這個反粒子即是自己本身的粒子，才可能使整個信息的存儲成為一個整體。因此可以說，人類找到了“馬約拉納費米子”就仿佛找到了一把打開拓撲量子計算時代大門的鑰匙。
神奇薄膜立下奇功
通常，粒子和反粒子不能共存，電子和正電子可以互相湮滅，晶體中的電子也可以掉入空位，從而都消失了。現在物理學家正在努力讓粒子和反粒子結合起來形成一種新材料即拓撲絕緣體，並且試圖把超導體和僅能在表麵上產生電的拓撲絕緣體材料結合起來，當二者結合在一起時，在其界麵會產生一種特殊的電場結構，這個電場結構可以阻止電子掉入空位，避免湮滅，從而允許“馬約拉納費米子”形成。
近年來，隨著拓撲絕緣體的問世，國際上掀起了新一輪的在實驗中追尋“馬約拉納費米子”的競賽，一些理論物理學家提出了多個“馬約拉納費米子”可能“藏身”的材料體係。最終，我國科學家薛其坤院士率領的團隊經過近4年的努力，終於找到了能夠發現量子反常霍爾效應的新材料。他們利用分子束外延方法，不僅生長出了高質量的拓撲絕緣體，而且又製備出精確的不依賴於載流子類型和濃度的鐵磁性拓撲絕緣體薄膜，這種特殊的薄膜厚度隻有一根頭發絲的一萬分之一。通過精確控製，將所需材料的原子一層層壘起來，達到產生“馬約拉納費米子”的必需要求，這種神奇的薄膜為成功發現量子反常霍爾效應立下了汗馬功勞。