電子可以分解了？

蒂亞·戈斯

科學家發現了一種異乎尋常的物質形態，在這種物質形態中，其他狀態下不可分離的電子似乎分離了。

班納吉是田納西州橡樹嶺國家實驗室的科學家， 他說：“科學家曾經預測到這種新型物質形態，但在此之前還沒有在現實生活中發現過。一種奇特物質中的電子開啟‘量子舞蹈模式后，就會形成這種物質形態，其中的電子自旋以特殊的方式相互作用。”同時他還說：“這些發現開拓了生產更好的量子計算機之路。”

在日常生活中，大多數人只見過三種普通的物質形態：固態、液態和氣態。然而，在特殊情形下，就會出現更加奇特的物質形態。

例如，大約40年前，物理學家提出存在一種被稱作量子自旋液態的物質形態，其中的電子相互作用，產生了奇特的效果。電子具有旋轉的特性，像小磁粒一般指向某個方向，如果所有小磁粒沿同一方向排列，就形成了鐵磁性物質；如果相鄰磁粒的旋轉方向恰好相反，就形成了反鐵磁性物質；如果電子的旋轉方向混亂無序，不發生相互作用，就形成了順磁性物質。

班納吉說，在降溫的過程中，大多數物質的小磁粒會趨于相同的指向，但在量子自旋液態中的小磁粒則互相“交談”。因此，在量子自旋液態中，不論溫度有多低，小磁粒都會影響彼此的旋轉方式，而且一直呈亂序狀態。

班納吉認為，量子自旋液態看上去像是固態，也就是說，可以拿在手中。然而，如果拉近鏡頭，放大后僅觀察原子外層的電子，就會發現這里的電子具有液態特性，雜亂無序地相互作用。他說，電子仍然相互作用，形成波，形成脈動，但沒有聚集在一起。

大約10年前，物理學家阿列克謝·基塔耶夫預測量子自旋液體具有一種特殊形態，似乎能將電子分解為馬約拉納費米子。長期以來，科學家就預測，馬約拉納費米子能夠成為自身的反粒子。如果量子自旋液體確實存在，就會產生非常奇妙的效果，因為質子和中子由更小的粒子（夸克）構成，而電子是公認的基本粒子，電荷與電子的旋轉是不可分割的。

班納吉認為，在這種情況下，盡管電子沒有分裂為更小的成分，但自旋相互作用使得電子看起來像是分裂了，這就是量子自旋液體中的馬約拉納費米子被稱為準粒子的原因。

班納吉及其同事開始想辦法證明基塔耶夫的預測在現實世界中是可以出現的。他們觀察了三氯化釕的粉末。三氯化釕的原子以蜂窩模式分布在一個二維平面上。班納吉說，釕元素的外電子層僅有一個電子，更容易產生量子起伏，在電子間產生必要的相互作用。

之后，班納吉的團隊用中子進行轟炸，激發電子旋轉，從而在量子層面上發生了“飛濺”，并對散射中子的模式進行了觀測。班納吉說：“許多電子在跳舞。它們使我覺得，我們把電子切分成更小的粒子了。”他們推斷，這種材料確實促使電子形成了成對的馬約拉納費米子。

這種奇特的脈動與一般量子自旋液體的脈動迥然不同，并且具有形成馬約拉納費米子徑跡的特性：不因氣溫的小幅升降而消失。

班納吉說：“看到它們真實存在于你能摸得著的物質中，是非常特別的。”科學家將這種新物質命名為量子自旋液體。

班納吉還說，在量子計算中，信息編碼不再是經典的0和1比特。物質中的原子或粒子以0和1比特之間所有可能的疊加狀態存在，這意味著每個量子比特能夠同時處理許多比特，信息的量子糾纏使得計算可以瞬時完成。

但是，能產生量子比特的傳統物質是講究且昂貴的，需要得到悉心“照料”，確保絲毫沒有運動變化和熱量波動，而且毫無瑕疵。

相反，如果研究人員能夠以基塔耶夫自旋液體為原料生產出量子比特，就會在高溫下保持活躍，即使原料自身特性不佳，也不會受到影響。