說到“費米子”凝聚態(tài)物理是干什么的，很多人乍一看可能會一頭霧水。
馬約拉納費米子是日本化學(xué)家馬約拉納在1937年做出的預(yù)言，即這種奇特的粒子以特殊的種類存在，粒子本身與其反粒子完全相同。 在接下來的80年里，世界各地的化學(xué)家們?nèi)栽趯ふ疫@種“正負(fù)”粒子存在的證據(jù)，但一無所獲。
突破發(fā)生在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，并在國際上首次準(zhǔn)確探測到馬約拉納費米子的存在，這也意味著人類取得了重大突破在量子化學(xué)領(lǐng)域。 ，這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于量子計算機(jī)的發(fā)展，也為信息技術(shù)帶來了革命性的變化，能夠進(jìn)一步揭開暗物質(zhì)的奧秘。
“我們正在做的是清楚地了解馬約拉納費米子的性質(zhì)，然后我們可以操縱它，在我們希望它出現(xiàn)的地方。如果做到這一點，我們就可以用它來做拓?fù)淞孔庸烙嫛！?中國科學(xué)院教授、上海交通大學(xué)數(shù)學(xué)與天文大學(xué)副校長、南方科技研究院代理副院長賈金峰日前在接受第一財經(jīng)專訪時表示前。
就在去年3月，賈金峰和鄭浩團(tuán)隊的科研成果“超導(dǎo)態(tài)‘分段費米面’的實驗否定”被選為超導(dǎo)計算機(jī)的核心部件之一。 晶閘管的發(fā)展提供了一條可能的理論路徑。
作為找到打開拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)之門“鑰匙”的科學(xué)家，神秘粒子“捕手”是如何找到馬約拉納費米子的，未來又將如何“駕馭”它們？
收斂化學(xué)與我們的生活有什么聯(lián)系
化學(xué)作為一門研究自然界基本規(guī)律的科學(xué)，不僅闡明了自然界許多現(xiàn)象背后的原理和機(jī)制，而且是支撐人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 在賈金峰看來，自己雖然從事化學(xué)領(lǐng)域的研究，但在收斂化學(xué)領(lǐng)域的主要工作主要是研究各種材料，因此也與國民經(jīng)濟(jì)生活息息相關(guān)。
收斂化學(xué)作為數(shù)學(xué)的一個分支，是一個高度多元化的研究領(lǐng)域，既有超導(dǎo)體、磁性材料、半導(dǎo)體等相對傳統(tǒng)的研究方向，也有一些新興的前沿研究方向，如拓?fù)浠瘜W(xué)、界面超導(dǎo)、量子反常霍爾效應(yīng)，以及各種復(fù)雜收斂系統(tǒng)的研究，如新型生物和能源材料。
“我認(rèn)為20世紀(jì)人類最偉大的兩個發(fā)現(xiàn)，一個是激光，一個是計算機(jī)，都是收斂化學(xué)研究的成果。” 賈金峰告訴記者，從半導(dǎo)體，到后來形成的晶體管，再到集成電路，包括電腦、手機(jī)在內(nèi)的各種信息技術(shù)，都與融合化學(xué)息息相關(guān)。 此外，他們還研究與磁性有關(guān)的現(xiàn)象，以及超導(dǎo)性的研究。 “凝聚態(tài)化學(xué)領(lǐng)域吸引了很多人，我自己對這個領(lǐng)域還是很感興趣的。”
從2008年開始，賈金峰在拓?fù)涑瑢?dǎo)量子計算領(lǐng)域從事了15年的研究，接下來他們將繼續(xù)研究如何操控這個“神秘粒子”。 “追蹤費米子是一個非常大的進(jìn)步。我們?nèi)匀恍枰^續(xù)研究它的性質(zhì)并操縱它去我們想去的地方。”
迄今為止，世界上還沒有生產(chǎn)出真正意義上的量子計算機(jī)。 重要原因之一是用于量子計算的粒子的量子態(tài)并不穩(wěn)定，而正反粒子馬約拉納費米子的特殊存在，使其態(tài)非常穩(wěn)定。 這一屬性或?qū)⒊蔀閷崿F(xiàn)量子計算機(jī)制造的關(guān)鍵，助力人類開啟拓?fù)淞孔佑嬎銜r代。 屆時，超級估計者需要花費巨大計算能力來解決的問題，對于量子計算機(jī)來說將是小菜一碟。
然而，找到馬約拉納費米子已經(jīng)如此困難，難道還要更難操縱嗎？
“馬約拉納費米子不是傳統(tǒng)意義上的粒子，而是準(zhǔn)粒子，但也符合馬約拉納的預(yù)言，準(zhǔn)粒子是收斂化學(xué)中的一個重要概念。” 賈金峰介紹。
捕獲馬約拉納費米子的過程之所以如此艱難，正是因為它被上面的超導(dǎo)材料所覆蓋。 賈金峰團(tuán)隊找到了一種獨特的方式，將超導(dǎo)材料放在底部，讓拓?fù)浣^緣體薄膜“生長”在其上面，使拓?fù)浣^緣體薄膜表面成為拓?fù)涑瑢?dǎo)體，將馬約拉納費米子從“暗處” ”到“光明面”去觀察。 經(jīng)過無數(shù)次實驗和驗證，他們首先觀察到了馬約拉納費米子在超導(dǎo)渦流中的蹤跡，并創(chuàng)新性地在實驗中檢測到了馬約拉納費米子的空間分布和載流子，這種方法目前在國際上得到廣泛應(yīng)用。
他解釋說，為了控制馬約拉納費米子的連接，數(shù)學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域的研究人員需要共同努力來推動它。 “中國聯(lián)通的操縱應(yīng)該在幾年內(nèi)實現(xiàn)，更難檢驗操縱后的結(jié)果是否與理論相符。那些是以前沒有人做過的研究。但如果這實現(xiàn)了目標(biāo)，我們就可以用它來做拓?fù)淞孔佑嬎恪！?span style="display:none">QLe物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
科研不能跟風(fēng)跟熱點
數(shù)學(xué)雖然是人類知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，但它并不是年輕人的熱門選擇，因為做相關(guān)的基礎(chǔ)研究往往無法在短時間內(nèi)取得質(zhì)的突破。 賈金峰還在日常的科普和講座中，分解了一些“學(xué)數(shù)學(xué)的苦”。 刻板印象。
賈金峰/任玉明 攝
自1983年考入上海大學(xué)化學(xué)系以來，賈金峰從事數(shù)學(xué)研究已有40年。 在他看來，基礎(chǔ)研究在整個創(chuàng)新鏈中非常重要，尤其是化學(xué)是一門非常有用和有趣的學(xué)科。 社會的每一次進(jìn)步都會給社會帶來一些變化。
以日常使用的硬盤為例，硬盤之所以存儲容量大、攜帶方便，是因為人們了解到了“巨磁阻效應(yīng)”。 “我記得在80年代和90年代，大硬盤的存儲容量只有幾十兆字節(jié)，但現(xiàn)在小硬盤可以達(dá)到很多TB。這些發(fā)展都來自數(shù)學(xué)。” 賈金峰說道。
不久前，他在學(xué)校給朋友們做了一場“為什么要學(xué)數(shù)學(xué)”的講座，鼓勵同學(xué)們今后積極投身于化學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究。 “通過這次講座，我想讓他們知道，儒家化學(xué)是一個非常好的選擇，即使它有挑戰(zhàn)。但生活中一定要有挑戰(zhàn)，挑戰(zhàn)很有趣。”
賈金峰還提到：“以前學(xué)數(shù)學(xué)很多年很辛苦，現(xiàn)在我們國家條件很好，不管是科研經(jīng)費還是科研儀器都有了很大的進(jìn)步。特別是這幾年，我們有了更注重科技人才的發(fā)展，我們做基礎(chǔ)研究，收入不比其他行業(yè)差。
在他看來，當(dāng)下比資金和先進(jìn)儀器更重要的是社會上基礎(chǔ)研究的整體氛圍。 “當(dāng)全社會的人都意識到基礎(chǔ)研究的重要性時，他們就會意識到做基礎(chǔ)研究的重要性，而不需要我們?nèi)ネ苿铀蜁园l(fā)地加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，與做基礎(chǔ)研究的人合作，促進(jìn)基礎(chǔ)研究的發(fā)展。各行各業(yè)。這是一個良好的發(fā)展環(huán)境。
對于想從事科學(xué)研究的年輕人凝聚態(tài)物理是干什么的，賈金峰也給出了親身經(jīng)歷的建議。 他說，做科學(xué)研究特別是基礎(chǔ)研究，要有新思路，不能重復(fù)別人的工作，不能追熱點。 “最重要的是堅持自己的觀點，只有堅持自己的觀點，然后去做自己認(rèn)為重要的事情，才會有突破。” 此外，你必須冷靜。 “人家不做這個東西，你要能靜下心來，也就是能坐板凳，一旦你做了，這就是你的原創(chuàng)。”