学院新闻

  • 高鸿钧丁洪团队首次在铁基超导体 高鸿钧丁洪团队首次在铁基超导体中发现马约拉纳任意子

         近期,中国科学院物理研究所、中国科学院大学高鸿钧和丁洪领导的联合研究团队利用极低温-强磁场-扫描探针显微系统首次在铁基超导体中观察到了马约拉纳零能模,即马约拉纳任意子。该马约拉纳零能模纯净度高,能在相对更高的温度下得以实现,且材料体系简单。该成果对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。相关研究成果于8月16日在线发表在《科学》(Science)上。 

      1937年,意大利理论物理学家Ettore Majorana预言了自旋为1/2的中性费米子,其反粒子是它本身,并认为是一种基本粒子。之后人们把这种神奇的粒子称为马约拉纳费米子,并猜测构成物质世界的基本粒子中的中微子有可能是马约拉纳费米子,但目前尚未得到实验上的证实。马约拉纳费米子不带电荷,理论上认为马约拉纳费米子是由粒子及其反粒子构成。近年来,理论研究表明在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子,被称为“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。当一个马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时,会变成两个马约拉纳任意子,具有奇特的非阿贝尔统计,可用来构造拓扑量子比特,应用于自容错的量子计算机。 

      量子计算机相较于传统计算机具有更快的运行速度与更大的计算量。然而,制约量子计算机发展的一个重要因素就是传统的量子比特特别容易受到外界环境的干扰而发生退相干,从而导致计算的失败;而基于马约拉纳的任意子的拓扑量子计算机对于环境的这种局部扰动有很强的抗干扰能力,自身带有高容错的秉性。因此,在材料中发现马约拉纳任意子对构建高度稳定的量子计算机具有重要意义。 

      在凝聚态物质中,人们在多种系统中尝试发现马约拉纳费米子,但具有非常大的难度和挑战性,也是国际科技界激烈竞争的战略制高点之一。理论上预言在p波超导体的激发态中可以找到马约拉纳费米子,然而至今仍缺少直接证据证明p波超导体的存在。2008年,傅亮等人指出,当把拓扑绝缘体和超导体放在一起时,这个系统就具有类似p波超导体的性质。基于该思想,2012年荷兰代尔夫特理工大学Kowenhoven研究组,2014年美国普林斯顿大学Yazdani研究组,2015年上海交通大学贾金锋研究组,2016年丹麦玻尔研究所Marcus研究组,分别宣称找到了马约拉纳任意子的证据。2017年美国加州大学王康隆、斯坦福大学张首晟等人在量子反常霍尔效应体系发现了半个量子电导,提供了马约拉纳费米子的证据。然而,这些马约拉纳任意子/费米子存在的体系都需要构造异质结构,其工艺复杂,并且需要极低温(小于1K)条件。近期,中国科学院物理研究所丁洪领导的国际合作团队,首次在铁基超导体(FeTe0.55Se0.45,Tc=15K)中发现超导拓扑表面态,其中最有力的证据发表在2018年3月的《科学》上。 

      这次关于马约拉纳零能模探索的重大突破,物理所、国科大高鸿钧研究组博士研究生王东飞、范朋等与丁洪研究组博士研究生孔令元等,利用高鸿钧研究组自主设计、集成研制的超高真空-极低温-强磁场-扫描隧道显微镜-分子束外延-低能电子衍射联合系统,对美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究组提供的高质量FeTe0.55Se0.45样品展开了系列探索,并与美国麻省理工学院的傅亮进行了理论合作。研究发现,在该样品的磁涡旋中心“点”存在不随空间位置劈裂的零能束缚态,变温以及变磁场的数据最终确定位于磁涡旋中心的束缚态即为马约拉纳任意子,并且不与其它的准粒子态混合,马约拉纳成分纯度很高。进一步实验发现该马约拉纳任意子在6T以下磁场以及4K以下温度都能稳定存在。 

      这是首次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子,能在相对高的温度下实现,不容易受到其他准粒子的干扰。同时,这也预示着在其它的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子,为马约拉纳物理的研究开辟新的方向。该成果具有高纯度、高温度且结构简单,更容易实现对马约拉纳任意子的编织操纵,对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。 

      王东飞、孔令元和范朋为该论文共同第一作者,高鸿钧、丁洪为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。

    2018081701图1.FeTe0.55Se0.45样品表面的磁通涡旋以及在磁通涡旋中心观察到的零能束缚态

    2018081702

    图2.零能束缚态的空间分布与理论上关于马约拉纳束缚态的空间分布预言一致

    2018081703

    图3.零能束缚态的隧穿电导以来与温度依赖实验符合马约拉纳束缚态的相关

    相关阅读:

      “模”出境界丨首次在铁基超导体中发现马约拉纳任意子专题

    2018-08-17
  • 国科大粒子物理实验组“科创计划 国科大粒子物理实验组“科创计划”集中培训圆满完成

           2018年7月22日至8月3日,中国科学院大学粒子物理实验组举行了为期两周的“科创计划”集中培训,共有70余名同学参加,分别来自中国科学院大学、武汉大学、南京大学、中山大学、吉林大学、四川大学、天津大学、西安交通大学、山东大学、同济大学、重庆大学、兰州大学、华中师范大学、郑州大学、上海大学、苏州大学、湖南师范大学、北京工业大学、华北电力大学、河北师范大学、杭州师范大学、河南师范大学、中北大学、南华大学等20多所高校。

           国科大粒子物理实验组郑阳恒吕晓睿何吉波刘倩钱文斌五位导师,以及国科大客座教授,中国科学院“国际人才计划”入选者Stephen Olsen教授和Lars Eklund教授向同学们系统的介绍了粒子物理实验相关知识。粒子物理实验组博士后李培荣博士和Daniel Vieira博士也参与了授课。

           同学们通过白天听课和参与讨论、晚上在研究生助教的辅导下动手练习,以及精读粒子物理实验相关研究论文并报告等多种形式,增进了对粒子物理实验的了解,为开展“科创计划”研究工作打下了基础。

           国科大粒子物理实验组的“科创计划”项目得到了“中国科学院大学生创新实践训练计划”的资助,以及中国科学院大学和各兄弟院校的支持。

    201808031

    图1:郑阳恒老师讲课中。

    201808032

    图2:Stephen Olsen教授讲课中。

    201808033

    图3:Lars Eklund教授讲课中。

    201808034

    图4:吕晓睿老师讲课中。

    201808035

    图5:何吉波老师讲课中。

    201808036

    图6:刘倩老师讲课中。

    201808037

    图7:钱文斌老师讲课中。

    201808038

    图8:2018年“科创计划”集中培训合影。

    2018-08-03
  • 向涛院士:即使毕业也要保持对知 向涛院士:即使毕业也要保持对知识和创造的饥饿感

    (教师代表、国科大物理学院教学委员会主任向涛院士在国科大首届本科生毕业典礼上的发言)

    亲爱的毕业生同学们, 

           四年前的金秋,你们怀揣着父母和家乡人民的期盼,来到国科大,在“博学笃志,格物明德”的校训指引下,收获了学识,开拓了视野,历练了品行,成熟了心智。我相信,你们在国科大这四年的时光,不是你们一生最辉煌的日子,但一定是你们人生中最难忘、最值得留念的日子。今天,你们带着母校的传承和情怀,带着新的梦想,即将开始新的征程。

    20180709115848

    中国科学院大学教师代表向涛院士发言 

           同学们,在这个专属于你们的盛典上,请允许我作为教师代表向你们致以最诚挚的祝福!同时,我也想借此机会给大家说几句临别赠言。

    第一, 保持对知识和创造的饥饿感。

          “求知若饥,虚心若愚”(Stay Hungry. Stay Foolish),这是美国著名的科技作家 凯文凯利(Kevin Kelly)的一句名言,也是乔布斯在给斯坦福大学毕业生演讲时,最后给同学的建言。在此,我也想把这句名言,送给大家。 

          现在,我们正处在一个知识爆炸的时代。人工智能、量子技术在飞速改变我们的生活方式。对我们来说,这既是一种挑战,也是一种机遇。

          为此,我们需要对知识时刻保持一种饥饿感,不断学习,充实自己。同时,我们还需要对创造时刻保持一种饥饿感。创造是做前人没做过的事,是一件孤独、甚至冒险的活动,创造性想法往往一开始不会被人所理解,需要特别的勇气和坚韧的毅力才能实现。

    第二,保持一颗追求卓越的心。

          我们国家经过近40年的改革开放,取得了举世瞩目的成就,中华民族复兴的伟业正在昂首阔步的前进,你们毕业即迈入了这个机会无限的追梦时代。

          同学们,你们是幸运的。但是,我们也面临着巨大的挑战。

          美国前国务卿布热津斯基曾说过,“2025年中国GDP可能超过美国,但在军事、科技创新、吸引人才的环境三方面不可能超过美国。”他的话反映了我们的现状,发人深省,但也是鞭策我们奋进的动力。

          我们要有改变世界、追求极致的勇气,特别是要在科技创新上不断超越世界强国,让布热津斯基的预言成为历史,也让“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”这个著名的钱学森之问成为历史。当你们变老,回首往事的时候,可以自豪地说,我们没有辜负这个伟大的时代!

    第三,保持做人的尊严和责任心。

          当你走向社会,你有可能会受到各种诱惑,也有可能会遇到各种艰难。我们要坚守底线,抵得住各种诱惑;同时在艰难面前,也要保持应有的尊严,不仅要得到他人的尊重,更要赢得自己的尊重。

          作为一个老师,当然希望学生不断超越,取得斐然的成就。然而,各位同学,人生的真正意义,不完全在于做成了什么,也不在于击败了多少对手;无论你们身在何方,从事何种职业,都要遵循为人之道,有正气、有担当,做一个有责任心的人。

    20180709120228

    向涛院士(一排左一)接受中国科学院大学2018届优秀毕业论文指导教师表彰

          亲爱的同学们,经过大学四年的学习和锻炼,你们获得了国科大所特有的气质境界、思想方法和求实精神。这些将是你们在顺境中把握机遇,在逆境中矢志不渝,披荆斩棘,取得成功的利器。无论你是继续深造,还是走向工作岗位;无论你是留在国内,还是走出国门,我们将永远关注、关心着你们的成长和发展。

          毕业,是告别过去,更是开启未来;毕业,是暂时挥别母校的句点,更是勇往直前、追逐梦想的新起点。

          同学们,你们是国科大第一届毕业生,也是国科大向世界发出的第一张名片;我希望这张名片丰富多彩,永不退色,时时刻刻传递的是国科大积极向上的精神和魅力!

     

    2018-07-09
  • 更多