水-固态冰、液态水和水蒸气的不同相的结合，需要一些努力才能在实验中实现。例如，如果你想把冰放在蒸汽旁边，必须不断地冷却水来保持固态，同时加热水来保持气态（这是不是很困难？）。对于凝聚态物理学家来说，在同一体系中创造不同条件的能力是可取的，因为有趣的现象和性质经常出现在两相之间的界面上。目前人们感兴趣的是马约拉纳费米子可能出现在这些边界附近的条件。马约拉纳费米子是一种类似粒子的激发态，称为准粒子，它是单个电子分裂成两半的结果。

　　博科园-科学科普：换句话说，一个电子变成一对纠缠(链接)的两个马约纳准粒子，无论它们之间的距离有多远，这个链接都会持续存在。科学家们希望利用物理上分离在物质中的马约拉纳费米子，以量子位元的形式可靠地存储信息，量子位元是量子计算机的基石。马约拉纳费米子奇特的特性（包括对电磁场和其他环境“噪音”高度不敏感）使它们成为远距离无损携带信息的理想选择。然而，迄今为止，马约拉纳费米子只在极端条件下被发现，包括接近绝对零度的低温(零下459华氏度)和高磁场下。

　　尽管它们被“拓扑”保护，不受局部原子杂质、无序和存在于所有材料中的缺陷影响。它们的空间特性保持不变，即使材料弯曲、扭曲、拉伸或以其他方式扭曲)，它们不能在强扰动下存活。此外，它们能工作的温度范围非常小。由于这些原因，马约拉纳费米子还不能进行实际的技术应用。现在，由美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)领导的一个物理学家团队，包括来自中国、德国和荷兰的合作者，提出了一种新的理论方法，可以产生更多的马约拉纳费米子。

　　布鲁克黑文实验室凝聚态物理与材料科学系的Neil Robinson、Robert Konik、Alexei Tsvelik和Andreas Weichselbaum(从左到右)。图片：Brookhaven National Laboratory

　　根据计算，正如发表在《物理评论快报》上的一篇论文所描述：这些马约拉纳费米子出现在更高的温度下(以许多数量级计算)，基本上不受无序和噪音的影响。即使它们没有受到拓扑保护，但如果扰动在空间中缓慢地从一个点变化到另一个点，它们仍然可以存在。布鲁克黑文实验室凝聚态物理与材料科学(CMPMS)部门凝聚态理论小组的高级科学家和领导者，也是研究的作者之一Alexei Tsvelik说：我们的数值和分析计算提供了证据，表明马约拉纳费米子存在于磁性材料的边界上。

　　它们具有不同的磁相，或电子自旋的方向，彼此相邻。还确定了马约拉纳费米子的数量，如果把某些磁相结合起来，应该期望得到多少个费米子。在理论研究中，科学家们把注意力集中在一种叫做自旋阶梯的磁性材料上。自旋阶梯是由原子构成的晶体，具有三维结构，再细分成看起来像阶梯的成对链。尽管科学家们多年来一直在研究自旋阶梯系统的性质，并预计它们会产生马约拉纳费米子，但不知道会产生多少。为了进行计算，科学家应用量子场论的数学框架来描述基本粒子的基本物理

　　拓扑量子位的示意图

　　以及一种数值方法(密度矩阵重整化群)来模拟电子行为具有强相关性的量子系统。该研究的合作者、CMPMS部门主席罗伯特·科尼克说：惊讶地发现，对于特定的磁相结构，可以在每个边界产生不止一个马约拉纳费米子。马约拉纳费米子要想在量子计算中发挥实际作用，就需要大量产生。计算专家认为，量子计算机能够解决经典计算机无法解决的问题的最小阈值是100个量子位。马约拉纳费米子也必须是可移动的，这样它们才能纠缠在一起。

　　该团队计划继续理论研究，并利用量子点(纳米半导体粒子)或捕获(受限)离子等工程系统进行实验。与实际材料的性质相比，工程材料的性质可以更容易地调整和操纵，从而引入马约阿纳费米子可能出现的不同相界。科尼克说：目前还不清楚下一代量子计算机将由什么材料制成，我们正试图找到更好的替代品来替代目前这一代的低温超导体，就像硅在晶体管中取代锗一样，现在处于如此早期的阶段，需要探索所有可能的可能性。

　　博科园-科学科普｜研究/来自: 布鲁克海文国家实验室/Ariana Tantillo

　　参考期刊文献:《物理评论快报》

　　DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.027201

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