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每年必發(fā)Science、Nature的團(tuán)隊,今年果然又發(fā)了!

發(fā)布人:中國科學(xué)報 時間:2022-06-09 來源:工程師 發(fā)布文章
文 | 《中國科學(xué)報》者 倪思潔


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2021年8月底的一個深夜,北京北四環(huán)邊,白日的喧囂已歸于平靜,中國科學(xué)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(jié)果。


幾乎就在一瞬間,困意徹底遠(yuǎn)離了他。因為此時的電腦屏幕上,原本應(yīng)該平整的四方圖案出現(xiàn)了豎向的波紋,波紋中還穿插著斜向的條紋。
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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(fā)表了由這個意外發(fā)現(xiàn)引發(fā)的新成果:中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵砷(LiFeAs)中,觀測到大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子格點陣列。


該發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為“對實現(xiàn)馬約拉納準(zhǔn)粒子的編織以及拓?fù)淞孔佑嬎憔哂欣锍瘫囊饬x”。


科學(xué)家們的新理想


“你們想做的拓?fù)淞孔佑嬎悖降资鞘裁???/span>


這是李更常被親朋好友們問到的問題。
人類對于大規(guī)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(huán)境的擾動會對量子系統(tǒng)造成影響,使計算過程不可避免地產(chǎn)生并積累錯誤。
正因如此,科學(xué)家們有了一個新的理想——研制“拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)”。
“拓?fù)淞孔佑嬎闶且环N容錯率更高的量子計算?!崩罡f。
然而,要實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎?,不僅要求微觀世界的粒子符合一種名為“非阿貝爾統(tǒng)計”的規(guī)律,還需要科學(xué)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(lǐng)域,誰有能耐看清并操控微觀世界,誰才有可能最先實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎恪?/span>


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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(tuán)隊中的一員。這支團(tuán)隊雖然規(guī)模不大,卻是全球最被關(guān)注的幾支向拓?fù)淞孔佑嬎惆l(fā)起挑戰(zhàn)的團(tuán)隊之一。
2018年,高鴻鈞團(tuán)隊最早在鐵基超導(dǎo)材料中觀測到一種神奇粒子——馬約拉納準(zhǔn)粒子。這種粒子符合實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎愕囊?,如果科學(xué)家能夠編織它,就有可能實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎?。這項成果發(fā)表于《科學(xué)》,并很快引起國際同行關(guān)注。
2020年,他們又在鐵基超導(dǎo)材料中觀測到馬約拉納準(zhǔn)粒子的電導(dǎo)平臺,進(jìn)一步證明了馬約拉納準(zhǔn)粒子的存在。該成果又一次發(fā)表于《科學(xué)》。


這些年,他們一直在各種鐵基超導(dǎo)材料中尋找這種神奇粒子的身影。


“鐵基超導(dǎo)材料體系存在材料組分不均一、馬約拉納準(zhǔn)粒子占比低、陣列無序且不可控等問題。”高鴻鈞判斷,他們需要找到大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列,才能向拓?fù)淞孔佑嬎愀M(jìn)一步。


直到2021年8月底的那個夜晚,異常波紋出現(xiàn)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(xiàn)象出現(xiàn)了。代表馬約拉納準(zhǔn)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(diào)得再強一點,馬約拉納準(zhǔn)粒子亮斑也隨之變得更密。當(dāng)亮斑越來越近時,它們彼此間還出現(xiàn)了相互作用和關(guān)聯(lián)的跡象。


從那天起,研究團(tuán)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(guī)律之前,我們一直擔(dān)心一旦位置挪動就再也看不到這種奇特現(xiàn)象。”李更告訴《中國科學(xué)報》。


經(jīng)過半年摸索,他們把神奇粒子陣列出現(xiàn)的原因鎖定在“應(yīng)力”上。


“自然應(yīng)力可以誘導(dǎo)晶體產(chǎn)生大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列,而這種有序的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列可以被外磁場調(diào)控?!备啉欌x說。


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用磁場調(diào)控大面積有序的馬約拉納準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)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(shè)計、搭建、組裝的儀器。”論文通訊作者高鴻鈞說。


從2006年開始,實驗室先后設(shè)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(dá)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(dá)到0.3毫電子伏特。


這些數(shù)字帶來的直觀結(jié)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(zhǔn)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(tuán)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(jīng)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(jīng)驗足”并不是能夠說服審稿人的科學(xué)依據(jù)。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(fù)出同樣的實驗結(jié)果。


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


“這些結(jié)果新穎且令人興奮?!绷硪晃辉u審人說。


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高鴻鈞與掃描隧道顯微鏡  倪思潔攝


每年一篇《自然》《科學(xué)》論文


對于這次發(fā)現(xiàn),高鴻鈞用“必然的偶然發(fā)現(xiàn)”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(tuán)隊有一個很特別的習(xí)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(jī)械噪聲對儀器的干擾?!备啉欌x說。


從2018年發(fā)現(xiàn)馬約拉納準(zhǔn)粒子之后,這些年來,實驗團(tuán)隊始終保持著高速運轉(zhuǎn)。


“團(tuán)隊里都是年輕的科研人員和學(xué)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(xué)》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(nèi)外的團(tuán)隊聯(lián)合起來,以建制化的方式不斷推進(jìn)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(xué)院的汪自強合作的結(jié)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(chǔ)科學(xué)進(jìn)展,基于馬約拉納準(zhǔn)粒子的拓?fù)淞孔佑嬎氵€有很長的路要走。”


李更告訴《中國科學(xué)報》,下一步,他們要進(jìn)一步研究應(yīng)力對雙軸電荷密度波的影響,用可控的方法,把超導(dǎo)材料壓出雙軸電荷密度波條紋。


他們還有一個更遠(yuǎn)的目標(biāo)。“讓相互靠近的馬約拉納準(zhǔn)粒子交換位置,實現(xiàn)對馬約拉納準(zhǔn)粒子的編織,向拓?fù)淞孔佑嬎阍龠M(jìn)一步?!备啉欌x說。


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科研團(tuán)隊合影  中科院物理所供圖


相關(guān)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


《中國科學(xué)報》 (2022-06-09 第1版 要聞 原標(biāo)題為《一個“必然的偶然發(fā)現(xiàn)”》)
編輯 | 趙路
排版 | 志海


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