表面是金屬 內(nèi)部是超導(dǎo)體
據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)11月3日（北京時間）報道，普林斯頓大學(xué)扎西德·哈桑領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種具有“雙重性格”新型晶體材料：在極低溫度下，晶體內(nèi)部表現(xiàn)與普通超導(dǎo)體類似，能以零電阻導(dǎo)電；同時，它的表面是仍有電阻的金屬，能傳輸電流。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然—物理學(xué)》雜志上。
實驗中，為了評價新晶體材料的性能，研究人員利用X光譜進(jìn)行分析，通過研究X射線轟擊出來的單個電子來確定晶體的真實屬性，測試發(fā)現(xiàn)生成的是一種拓?fù)涑瑢?dǎo)體。研究人員進(jìn)一步在晶體的表面發(fā)現(xiàn)了不同尋常的電子，其表現(xiàn)得像輕子。由于哈桑小組去年曾經(jīng)第一次直接觀察到了一種被稱為螺旋狀狄拉克費米子的電子，此時他們立刻認(rèn)出了這種電子就是科學(xué)家長期尋找的馬拉約那費米子（Majorana fermions）。
而賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)家查爾斯·凱恩預(yù)測，如果一種拓?fù)涑瑢?dǎo)體取代了一種拓?fù)浣^緣體，把這種混合材料置于強(qiáng)磁場中時，其邊界電子將變成馬拉約那費米子。由于這種新晶體材料囊括了金屬、絕緣體和傳統(tǒng)超導(dǎo)體等多重“身份”，如何根據(jù)電子狀態(tài)來將它歸類讓科學(xué)家困惑不已。哈桑表示，拓?fù)涑瑢?dǎo)體除了表面是金屬以外，其他部分都是超導(dǎo)體，這將給我們帶來許多應(yīng)用前景。
把絕緣體變成超導(dǎo)體
2007年，哈桑領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了三維拓?fù)浣^緣體硒化鉍。在過去的兩年中，研究小組扭轉(zhuǎn)了硒化鉍的屬性，使其變成了表面是金屬、內(nèi)部為超導(dǎo)體的材料，這種屬性就很適合于未來電子學(xué)的開發(fā)。
為了使超導(dǎo)體具有拓?fù)湫再|(zhì)，參與研究的普林斯頓大學(xué)化學(xué)教授羅伯特·卡瓦把銅原子嵌入硒化鉍半導(dǎo)體的原子晶格中，發(fā)明了一種新晶體。這一過程稱為半導(dǎo)體摻雜，是一種改變材料電子數(shù)量的方法，用來轉(zhuǎn)變其電性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低于4K（約零下269攝氏度）的溫度下，合適的嵌入數(shù)量能將晶體轉(zhuǎn)變成一種超導(dǎo)體。但美中不足的是，根據(jù)最初的實驗結(jié)果，超導(dǎo)體無法長久保持其拓?fù)湫再|(zhì)，在真空中僅能保持幾個月。
加州大學(xué)伯克利分校物理副教授約爾·摩爾說，從理論上而言，如果一種拓?fù)浣^緣體變成了拓?fù)涑瑢?dǎo)體，它會具有一些超常的性質(zhì)，最異類的就是出現(xiàn)馬拉約那費米子。由普通原子核和電子構(gòu)成的固體能“生成”具有特異性質(zhì)的粒子，比如分?jǐn)?shù)電荷，但馬拉約那費米子是零質(zhì)量零電荷，這可能是最奇怪的。盡管還沒有能檢測拓?fù)涑瑢?dǎo)體的工具，但哈桑的研究在正確的方向上邁進(jìn)了一大步。
應(yīng)用還需再等幾十年
量子計算機(jī)使用次原子粒子“量子”來存儲和處理信息。量子計算機(jī)將來能以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過今天傳統(tǒng)計算機(jī)的速度來操作數(shù)據(jù)，然而，研制更高性能量子計算機(jī)的努力，卻由于量子行為的不確定而受到阻礙。如果多個馬拉約那費米子的運動能被預(yù)測，拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)用它們來存儲信息將是容錯的，即計算機(jī)能“知道”自己在執(zhí)行對錯計算時是否出現(xiàn)了錯誤。
“從新物理學(xué)發(fā)展到新技術(shù)應(yīng)用需要很長時間，通常要20年到30年時間。”哈桑介紹說，拓?fù)涑瑢?dǎo)體最激動人心的應(yīng)用就是高能量子計算機(jī)，它能在計算中發(fā)現(xiàn)錯誤，一旦出錯就會在信息處理過程中產(chǎn)生抵抗。他解釋說，普通電子帶負(fù)電荷，而馬拉約那費米子是中性的，它不會被附近的粒子、原子吸引或排斥，它們的行動就是可預(yù)測的，有著預(yù)定的軌跡，這是它們真正的潛能所在。
哈桑也稱，這種具有雙重電子特性的新型超導(dǎo)材料，可以被認(rèn)為是一種特殊的絕緣體。“我們可以利用這一點來‘哄騙’電子嗖嗖地跑到它的表面上，變成馬拉約那費米子。”
“這些超導(dǎo)體是產(chǎn)生和控制馬拉約那費米子的理想育兒所。”論文第一作者L·安德魯·雷說。由于粒子是存在于超導(dǎo)體中的，能以低能耗裝置來控制，不僅環(huán)保，也避免了當(dāng)前硅材料不可避免的過熱問題。
目前，研究小組還在鑒別其他種類的拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浣^緣體。關(guān)于進(jìn)一步的研究，哈桑和他的團(tuán)隊表示將繼續(xù)檢測馬拉約那費米子，找出控制它們性質(zhì)的方法。他們的兩個重要目標(biāo)，一是找到高溫超導(dǎo)的拓?fù)洳牧?，二是開發(fā)內(nèi)部高度絕緣的拓?fù)浣^緣體。
