表面是金屬 內(nèi)部是超導體
據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)11月3日（北京時間）報道，普林斯頓大學扎西德·哈桑領導的研究小組發(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)與普通超導體類似，能以零電阻導電；同時，它的表面是仍有電阻的金屬，能傳輸電流。相關成果發(fā)表在最新一期《自然—物理學》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)生成的是一種拓撲超導體。研究人員進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，此時他們立刻認出了這種電子就是科學家長期尋找的馬拉約那費米子（Majorana fermions）。
而賓夕法尼亞大學物理學家查爾斯·凱恩預測，如果一種拓撲超導體取代了一種拓撲絕緣體，把這種混合材料置于強磁場中時，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)超導體等多重“身份”，如何根據(jù)電子狀態(tài)來將它歸類讓科學家困惑不已。哈桑表示，拓撲超導體除了表面是金屬以外，其他部分都是超導體，這將給我們帶來許多應用前景。
把絕緣體變成超導體
2007年，哈桑領導的研究小組發(fā)現(xiàn)了三維拓撲絕緣體硒化鉍。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)部為超導體的材料，這種屬性就很適合于未來電子學的開發(fā)。
為了使超導體具有拓撲性質(zhì)，參與研究的普林斯頓大學化學教授羅伯特·卡瓦把銅原子嵌入硒化鉍半導體的原子晶格中，發(fā)明了一種新晶體。這一過程稱為半導體摻雜，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)變成一種超導體。但美中不足的是，根據(jù)最初的實驗結果，超導體無法長久保持其拓撲性質(zhì)，在真空中僅能保持幾個月。
加州大學伯克利分校物理副教授約爾·摩爾說，從理論上而言，如果一種拓撲絕緣體變成了拓撲超導體，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成的固體能“生成”具有特異性質(zhì)的粒子，比如分數(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撲超導體的工具，但哈桑的研究在正確的方向上邁進了一大步。
應用還需再等幾十年
量子計算機使用次原子粒子“量子”來存儲和處理信息。量子計算機將來能以遠遠超過今天傳統(tǒng)計算機的速度來操作數(shù)據(jù)，然而，研制更高性能量子計算機的努力，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測，拓撲量子計算機用它們來存儲信息將是容錯的，即計算機能“知道”自己在執(zhí)行對錯計算時是否出現(xiàn)了錯誤。
“從新物理學發(fā)展到新技術應用需要很長時間，通常要20年到30年時間。”哈桑介紹說，拓撲超導體最激動人心的應用就是高能量子計算機，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測的，有著預定的軌跡，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材料，可以被認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體中的，能以低能耗裝置來控制，不僅環(huán)保，也避免了當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撲超導體和拓撲絕緣體。關于進一步的研究，哈桑和他的團隊表示將繼續(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，一是找到高溫超導的拓撲材料，二是開發(fā)內(nèi)部高度絕緣的拓撲絕緣體。
