水-固態(tài)冰、液態(tài)水和水蒸氣的不同相的結(jié)合，需要一些努力才能在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。例如，如果你想把冰放在蒸汽旁邊，必須不斷地冷卻水來(lái)保持固態(tài)，同時(shí)加熱水來(lái)保持氣態(tài)（這是不是很困難？）。

對(duì)于凝聚態(tài)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，在同一體系中創(chuàng)造不同條件的能力是可取的，因?yàn)橛腥さ默F(xiàn)象和性質(zhì)經(jīng)常出現(xiàn)在兩相之間的界面上。目前人們感興趣的是馬約拉納費(fèi)米子可能出現(xiàn)在這些邊界附近的條件。馬約拉納費(fèi)米子是一種類似粒子的激發(fā)態(tài)，稱為準(zhǔn)粒子，它是單個(gè)電子分裂成兩半的結(jié)果。

博科園-科學(xué)科普：換句話說(shuō)，一個(gè)電子變成一對(duì)糾纏(鏈接)的兩個(gè)馬約納準(zhǔn)粒子，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)，這個(gè)鏈接都會(huì)持續(xù)存在?？茖W(xué)家們希望利用物理上分離在物質(zhì)中的馬約拉納費(fèi)米子，以量子位元的形式可靠地存儲(chǔ)信息，量子位元是量子計(jì)算機(jī)的基石。馬約拉納費(fèi)米子奇特的特性（包括對(duì)電磁場(chǎng)和其他環(huán)境“噪音”高度不敏感）使它們成為遠(yuǎn)距離無(wú)損攜帶信息的理想選擇。然而，迄今為止，馬約拉納費(fèi)米子只在極端條件下被發(fā)現(xiàn)，包括接近絕對(duì)零度的低溫(零下459華氏度)和高磁場(chǎng)下。

盡管它們被“拓?fù)洹北Ｗo(hù)，不受局部原子雜質(zhì)、無(wú)序和存在于所有材料中的缺陷影響。它們的空間特性保持不變，即使材料彎曲、扭曲、拉伸或以其他方式扭曲)，它們不能在強(qiáng)擾動(dòng)下存活。此外，它們能工作的溫度范圍非常小。由于這些原因，馬約拉納費(fèi)米子還不能進(jìn)行實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用?，F(xiàn)在，由美國(guó)能源部(DOE)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，包括來(lái)自中國(guó)、德國(guó)和荷蘭的合作者，提出了一種新的理論方法，可以產(chǎn)生更多的馬約拉納費(fèi)米子。

根據(jù)計(jì)算，正如發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇論文所描述：這些馬約拉納費(fèi)米子出現(xiàn)在更高的溫度下(以許多數(shù)量級(jí)計(jì)算)，基本上不受無(wú)序和噪音的影響。即使它們沒(méi)有受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，但如果擾動(dòng)在空間中緩慢地從一個(gè)點(diǎn)變化到另一個(gè)點(diǎn)，它們?nèi)匀豢梢源嬖?。布魯克黑文?shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)(CMPMS)部門凝聚態(tài)理論小組的高級(jí)科學(xué)家和領(lǐng)導(dǎo)者，也是研究的作者之一Alexei Tsvelik說(shuō)：我們的數(shù)值和分析計(jì)算提供了證據(jù)，表明馬約拉納費(fèi)米子存在于磁性材料的邊界上。

它們具有不同的磁相，或電子自旋的方向，彼此相鄰。還確定了馬約拉納費(fèi)米子的數(shù)量，如果把某些磁相結(jié)合起來(lái)，應(yīng)該期望得到多少個(gè)費(fèi)米子。在理論研究中，科學(xué)家們把注意力集中在一種叫做自旋階梯的磁性材料上。自旋階梯是由原子構(gòu)成的晶體，具有三維結(jié)構(gòu)，再細(xì)分成看起來(lái)像階梯的成對(duì)鏈。盡管科學(xué)家們多年來(lái)一直在研究自旋階梯系統(tǒng)的性質(zhì)，并預(yù)計(jì)它們會(huì)產(chǎn)生馬約拉納費(fèi)米子，但不知道會(huì)產(chǎn)生多少。為了進(jìn)行計(jì)算，科學(xué)家應(yīng)用量子場(chǎng)論的數(shù)學(xué)框架來(lái)描述基本粒子的基本物理

以及一種數(shù)值方法(密度矩陣重整化群)來(lái)模擬電子行為具有強(qiáng)相關(guān)性的量子系統(tǒng)。該研究的合作者、CMPMS部門主席羅伯特·科尼克說(shuō)：驚訝地發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定的磁相結(jié)構(gòu)，可以在每個(gè)邊界產(chǎn)生不止一個(gè)馬約拉納費(fèi)米子。馬約拉納費(fèi)米子要想在量子計(jì)算中發(fā)揮實(shí)際作用，就需要大量產(chǎn)生。計(jì)算專家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題的最小閾值是100個(gè)量子位。馬約拉納費(fèi)米子也必須是可移動(dòng)的，這樣它們才能糾纏在一起。

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)理論研究，并利用量子點(diǎn)(納米半導(dǎo)體粒子)或捕獲(受限)離子等工程系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與實(shí)際材料的性質(zhì)相比，工程材料的性質(zhì)可以更容易地調(diào)整和操縱，從而引入馬約阿納費(fèi)米子可能出現(xiàn)的不同相界?？颇峥苏f(shuō)：目前還不清楚下一代量子計(jì)算機(jī)將由什么材料制成，我們正試圖找到更好的替代品來(lái)替代目前這一代的低溫超導(dǎo)體，就像硅在晶體管中取代鍺一樣，現(xiàn)在處于如此早期的階段，需要探索所有可能的可能性。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: 布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/Ariana Tantillo

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.027201

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