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2021年8月底的一個深夜，北京北四環邊，白日的喧囂已歸于平靜，中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）的燈仍然亮著，實驗室里靜得只剩下呼吸聲。
在一個裹著銀色錫紙的儀器邊，副研究員李更等待著實驗結果。
幾乎就在一瞬間，困意徹底遠離了他。因為此時的電腦屏幕上，原本應該平整的四方圖案出現了豎向的波紋，波紋中還穿插著斜向的條紋。
研究組最初看到的奇特波紋（雙軸電荷密度波）形貌 中科院物理所供圖
6月8日，《自然》發表了由這個意外發現引發的新成果：中國科學家在鐵基超導材料鋰鐵砷（LiFeAs）中，觀測到大面積、高度有序、可調控的馬約拉納準粒子格點陣列。
該發現被認為“對實現馬約拉納準粒子的編織以及拓撲量子計算具有里程碑的意義”。
科學家們的新理想
“你們想做的拓撲量子計算，到底是什么？”
人類對于大規模信息處理需求的劇增，使得量子計算被賦予了極高的期待，“量子計算”四個字也幾乎家喻戶曉。
但是，很多人不知道，量子計算一直有個讓人頭疼的問題，即噪聲等外界環境的擾動會對量子系統造成影響，使計算過程不可避免地產生并積累錯誤。
正因如此，科學家們有了一個新的理想——研制“拓撲量子計算機”。
“拓撲量子計算是一種容錯率更高的量子計算。”李更說。
然而，要實現拓撲量子計算，不僅要求微觀世界的粒子符合一種名為“非阿貝爾統計”的規律，還需要科學家有能力把微觀世界里的粒子像編麻花辮一樣編織起來。
也就是說，在這個領域，誰有能耐看清并操控微觀世界，誰才有可能最先實現拓撲量子計算。
一次意外控制住一種神奇粒子
李更是物理所高鴻鈞院士團隊中的一員。這支團隊雖然規模不大，卻是全球最被關注的幾支向拓撲量子計算發起挑戰的團隊之一。
2018年，高鴻鈞團隊最早在鐵基超導材料中觀測到一種神奇粒子——馬約拉納準粒子。這種粒子符合實現拓撲量子計算的要求，如果科學家能夠編織它，就有可能實現拓撲量子計算。這項成果發表于《科學》，并很快引起國際同行關注。
2020年，他們又在鐵基超導材料中觀測到馬約拉納準粒子的電導平臺，進一步證明了馬約拉納準粒子的存在。該成果又一次發表于《科學》。
這些年，他們一直在各種鐵基超導材料中尋找這種神奇粒子的身影。
“鐵基超導材料體系存在材料組分不均一、馬約拉納準粒子占比低、陣列無序且不可控等問題。”高鴻鈞判斷，他們需要找到大面積、高度有序、可調控的馬約拉納準粒子陣列，才能向拓撲量子計算更進一步。
直到2021年8月底的那個夜晚，異常波紋出現了。
李更把情況匯報給高鴻鈞，他們討論后決定給樣品加一個垂直的磁場試試。
更奇特的現象出現了。代表馬約拉納準粒子的亮斑，整整齊齊地排列在縱向的波紋上。
李更試著把磁場調得再強一點，馬約拉納準粒子亮斑也隨之變得更密。當亮斑越來越近時，它們彼此間還出現了相互作用和關聯的跡象。
從那天起，研究團隊開始小心翼翼地保持著儀器針尖和樣品的位置。
“在找到原因和規律之前，我們一直擔心一旦位置挪動就再也看不到這種奇特現象。”李更告訴《中國科學報》。
經過半年摸索，他們把神奇粒子陣列出現的原因鎖定在“應力”上。
“自然應力可以誘導晶體產生大面積、高度有序、可調控的馬約拉納準粒子陣列，而這種有序的馬約拉納準粒子陣列可以被外磁場調控。”高鴻鈞說。
用磁場調控大面積有序的馬約拉納準粒子陣列 中科院物理所供圖
“為什么別人沒有看到？”
去年11月，他們把新發現寫成論文投給《自然》。然而，評審人對成果倍感意外：“為什么別人沒有看到？”
“該怎么說服審稿人呢？”作為論文共同第一作者的李更一邊想，一邊看著身邊的“老伙計”——裹著銀色錫紙的“掃描隧道顯微鏡”。
顯微鏡的外觀并不起眼。“這是我們自行設計、搭建、組裝的儀器。”論文通訊作者高鴻鈞說。
從2006年開始，實驗室先后設計、建成了三代掃描隧道顯微鏡。他們使用的那臺是第二代儀器，溫度可以達到0.4K（-272.75攝氏度），可以給樣品加3個方向的磁場，能量分辨可以達到0.3毫電子伏特。
這些數字帶來的直觀結果是，科研人員可以把原子從分子上切下來，想切幾個切幾個，想切哪里切哪里。也正因為儀器的超強“視力”，使得他們清清楚楚地看見并操控了馬約拉納準粒子陣列。
就像這個其貌不揚卻實力不俗的儀器一樣，在高鴻鈞團隊的實驗室里，有很多看似隨意實則深思熟慮的地方。“就連用來屏蔽干擾的錫紙該裹在哪里，都是有經驗和訣竅的。”高鴻鈞指著包裹著儀器的不太美觀的錫紙說。
但是，“儀器好”“經驗足”并不是能夠說服審稿人的科學依據。于是，研究組又用了兩個月，在實驗室的另一臺掃描隧道顯微鏡上，用另一個鋰鐵砷材料樣品重復出同樣的實驗結果。
看到重復實驗的結果后，審稿人感慨：“我所有的疑問都得到了令人滿意的解答。”
“這些結果新穎且令人興奮。”另一位評審人說。
高鴻鈞與掃描隧道顯微鏡 倪思潔攝
每年一篇《自然》《科學》論文
對于這次發現，高鴻鈞用“必然的偶然發現”來形容。
在他看來，“必然”不僅來自于儀器的高精度，更得益于研究組的高效率。
他的團隊有一個很特別的習慣，熱衷于在半夜兩三點鐘工作。“夜深人靜的時候，可以避免電噪聲、機械噪聲對儀器的干擾。”高鴻鈞說。
從2018年發現馬約拉納準粒子之后，這些年來，實驗團隊始終保持著高速運轉。
“團隊里都是年輕的科研人員和學生，我們工作起來非常高效。從2018年開始，每年在這個方向上都有一篇《自然》或《科學》成果。”高鴻鈞說。
此外，對于研究組來說，合作也十分重要。
“這些年來，我們不是打一槍換一個地方的游擊式科研，而是和研究所內外的團隊聯合起來，以建制化的方式不斷推進這項研究。”高鴻鈞說，此次研究就是與物理所靳常青研究組、美國波士頓學院的汪自強合作的結果。
盡管話語中充滿自豪與興奮，但面對未來，高鴻鈞很冷靜：“這只是一個階段性的基礎科學進展，基于馬約拉納準粒子的拓撲量子計算還有很長的路要走。”
李更告訴《中國科學報》，下一步，他們要進一步研究應力對雙軸電荷密度波的影響，用可控的方法，把超導材料壓出雙軸電荷密度波條紋。
他們還有一個更遠的目標。“讓相互靠近的馬約拉納準粒子交換位置，實現對馬約拉納準粒子的編織，向拓撲量子計算再進一步。”高鴻鈞說。
科研團隊合影 中科院物理所供圖
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.aao1797
https://doi.org/10.1126/science.aax0274
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04744-8
《中國科學報》 (2022-06-09 第1版 要聞 原標題為《一個“必然的偶然發現”》)
編輯 | 趙路
排版 | 志海
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