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李牮与合作者在Science发表文章揭示马约拉纳粒子的自旋特性

浙江西湖高等研究院2018-11-08 15:31:09

近日,浙江西湖高等研究院李牮与美国普林斯顿大学物理系教授Ali Yazdani实验组及Andrei Bernevig理论组合作,在Science杂志上发表了题为“Distinguishing a Majorana zero mode using spin resolved measurements”的研究论文,报道了在扫描隧道显微镜中观测到马约拉纳粒子及其独特的自旋特性,这一发现可能为新的量子计算打开大门。李牮博士在此次研究中作了主要的理论贡献,是Science论文的共同第一作者。



▲ 论文截图


该研究团队使用了增强的成像技术,通过扫描隧道显微镜,在铅晶体表面生长的铁原子链的两端,捕捉到了马约拉纳粒子的信号。他们的研究方法还包括测量一种被称为自旋的独特的量子特性——对这一特性的测量可以区分马约拉纳粒子和材料中可能出现的其他类型的准粒子,并有机会为该系统应用于量子信息传输做出铺垫。


这一发现建立在该团队2014年的研究成果之上,当时的研究成果也发表在Science杂志上,发现在超导铅表面生长的铁原子链中存在马约拉纳粒子。在这项研究中,扫描隧道显微镜第一次被用于观察马约拉纳粒子,但当时并没有提供其他对马约拉纳粒子特性的观测。


▲ 以上为实验示意图。自旋极化扫描隧道显微镜探针用于探测超导体铅表面铁原子链末端的马约拉纳粒子量子波函数的自旋特性。图片由普林斯顿大学Ali Yazdani实验室提供。


马约拉纳粒子最初是在20世纪30年代末由意大利物理学家埃托尔·马约拉纳(Ettore Majorana)提出的,这种粒子以其作为费米子同时也是自身反粒子的特性而闻名。过去对马约拉纳粒子的观测都基于这一特性,在量子隧穿测量中,这种指示性特征被称为零偏压峰。但是研究也表明,这种信号也可能是由超导体中出现的一对平庸的准粒子引起的。


▲ 李牮老师


此次研究发现的马约拉纳粒子的量子自旋特性,不仅进一步证实了马约拉纳粒子在该系统中的存在性,而且开辟了将其应用于量子信息等领域的可能性。例如,两端带有马约拉纳粒子的金属线可以用来在空间分隔一定距离的自旋量子比特之间传递信息——电子自旋和马约拉纳粒子间的纠缠可能正是下一步的研究方向。


▲ 李牮老师在开学典礼Book of Knowledge内签字


2016年12月10日,李牮正式入职西湖高等研究院理学研究所,专注于凝聚态物理理论研究。他曾说过:“我与西湖高研院一见钟情,我希望,在退休后的某一天,或许就在西湖边的某条长凳上,我会对某个年轻人说,我此生最引以为自豪的,是我在这个城市里一个2016年建校的大学工作过,我从她出生的第一天就和她在一起。2017年8月,李牮博士荣获国家自然科学基金面上项目资助,是西湖高研院第一个国家资助的竞争性科研项目;2017年底,李牮拟入选第十四批国家“千人计划”青年项目、浙江省“千人计划”和杭州市全球引才“521”计划。





李牮:从西湖高研院出生的第一天就和她在一起

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文:沈小莲、李牮

编辑:李凯娜,校对:郑颖