2021年8月底的一個深夜，北四環(huán)上沒有了白天的喧囂。中國科學院物理研究所的燈還亮著，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(jié)果。

幾乎就在一瞬間，困意徹底遠離了他。電腦屏幕上，原本應(yīng)該平整的四方圖案上，出現(xiàn)了豎向的波紋，條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》雜志發(fā)表了由這個意外發(fā)現(xiàn)引發(fā)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(diào)控的馬約拉納準粒子格點陣列。

該發(fā)現(xiàn)被認為“對實現(xiàn)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？”

這是李更常被親朋好友們問到的問題。

人類對于大規(guī)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，即噪音等外界環(huán)境的擾動會對量子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使計算過程不可避免地產(chǎn)生和積累錯誤。

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(xiàn)拓撲量子計算，不僅要求微觀世界的粒子符合一種名叫“非阿貝爾統(tǒng)計”的規(guī)律，還需要科學家有能力在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(lǐng)域，誰有能耐看清并且操控微觀世界，誰才有可能最先實現(xiàn)拓撲量子計算。

在實驗室工作的李更（中科院物理所供圖）

一次意外，他們控制住了一種神奇粒子

李更是物理所高鴻鈞院士團隊中的一員。這支團隊不大，卻是全球最被關(guān)注的幾支向拓撲量子計算發(fā)起挑戰(zhàn)的團隊之一。

2018年，高鴻鈞研究組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(xiàn)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(xiàn)拓撲量子計算。這篇成果發(fā)表于《科學》雜志，并很快引起國際同行關(guān)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。成果又一次發(fā)表在《科學》雜志上。

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著材料組分不均一、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(diào)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(xiàn)。

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(xiàn)象出現(xiàn)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(diào)得再強一點，馬約拉納準粒子亮斑也隨著密了起來。當亮斑越來越近時，它們彼此間還出現(xiàn)了相互作用和關(guān)聯(lián)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(guī)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(xiàn)象。”李更告訴《中國科學報》。

經(jīng)過半年摸索，他們把神奇粒子陣列出現(xiàn)的原因鎖定在“應(yīng)力”上。

“自然應(yīng)力可以誘導晶體產(chǎn)生的大面積、高度有序、可調(diào)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(diào)控。”高鴻鈞說。

用磁場調(diào)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(fā)現(xiàn)寫成論文投給《自然》雜志。

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(shè)計、搭建、組裝的儀器。”論文通訊作者高鴻鈞說。

從2006年開始，實驗室里先后設(shè)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(shù)字帶來的直觀結(jié)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(jīng)驗、有訣竅的。”高鴻鈞指著包裹著儀器的不怎么有美感的錫紙說。

但是，“儀器好”“經(jīng)驗足”并不是能夠說服審稿人的科學依據(jù)。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，重復出了同樣的實驗結(jié)果。

看到重復實驗的結(jié)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(jié)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》的團隊

對于這次發(fā)現(xiàn)，高鴻鈞用“必然的偶然發(fā)現(xiàn)”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，可以避免電噪音、機械噪音對儀器的干擾。”高鴻鈞說。

從2018年發(fā)現(xiàn)馬約拉納準粒子之后，這些年來，實驗團隊保持著高速運轉(zhuǎn)。

“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陣地的游擊式科研，而是和研究所內(nèi)外的團隊聯(lián)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(jié)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(chǔ)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(yīng)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(xiàn)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(guān)論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/science.aao1797

https://doi.org/10.1126/science.aax0274

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04744-8