電子可以分解了？

蒂亞·戈斯

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種異乎尋常的物質(zhì)形態(tài)，在這種物質(zhì)形態(tài)中，其他狀態(tài)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家， 他說(shuō)：“科學(xué)家曾經(jīng)預(yù)測(cè)到這種新型物質(zhì)形態(tài)，但在此之前還沒(méi)有在現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)現(xiàn)過(guò)。一種奇特物質(zhì)中的電子開啟‘量子舞蹈模式后，就會(huì)形成這種物質(zhì)形態(tài)，其中的電子自旋以特殊的方式相互作用。”同時(shí)他還說(shuō)：“這些發(fā)現(xiàn)開拓了生產(chǎn)更好的量子計(jì)算機(jī)之路。”

在日常生活中，大多數(shù)人只見(jiàn)過(guò)三種普通的物質(zhì)形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。然而，在特殊情形下，就會(huì)出現(xiàn)更加奇特的物質(zhì)形態(tài)。

例如，大約40年前，物理學(xué)家提出存在一種被稱作量子自旋液態(tài)的物質(zhì)形態(tài)，其中的電子相互作用，產(chǎn)生了奇特的效果。電子具有旋轉(zhuǎn)的特性，像小磁粒一般指向某個(gè)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(zhì)；如果相鄰磁粒的旋轉(zhuǎn)方向恰好相反，就形成了反鐵磁性物質(zhì)；如果電子的旋轉(zhuǎn)方向混亂無(wú)序，不發(fā)生相互作用，就形成了順磁性物質(zhì)。

班納吉說(shuō)，在降溫的過(guò)程中，大多數(shù)物質(zhì)的小磁粒會(huì)趨于相同的指向，但在量子自旋液態(tài)中的小磁粒則互相“交談”。因此，在量子自旋液態(tài)中，不論溫度有多低，小磁粒都會(huì)影響彼此的旋轉(zhuǎn)方式，而且一直呈亂序狀態(tài)。

班納吉認(rèn)為，量子自旋液態(tài)看上去像是固態(tài)，也就是說(shuō)，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(huì)發(fā)現(xiàn)這里的電子具有液態(tài)特性，雜亂無(wú)序地相互作用。他說(shuō)，電子仍然相互作用，形成波，形成脈動(dòng)，但沒(méi)有聚集在一起。

大約10年前，物理學(xué)家阿列克謝·基塔耶夫預(yù)測(cè)量子自旋液體具有一種特殊形態(tài)，似乎能將電子分解為馬約拉納費(fèi)米子。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家就預(yù)測(cè)，馬約拉納費(fèi)米子能夠成為自身的反粒子。如果量子自旋液體確實(shí)存在，就會(huì)產(chǎn)生非常奇妙的效果，因?yàn)橘|(zhì)子和中子由更小的粒子（夸克）構(gòu)成，而電子是公認(rèn)的基本粒子，電荷與電子的旋轉(zhuǎn)是不可分割的。

班納吉認(rèn)為，在這種情況下，盡管電子沒(méi)有分裂為更小的成分，但自旋相互作用使得電子看起來(lái)像是分裂了，這就是量子自旋液體中的馬約拉納費(fèi)米子被稱為準(zhǔn)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(yù)測(cè)在現(xiàn)實(shí)世界中是可以出現(xiàn)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(gè)二維平面上。班納吉說(shuō)，釕元素的外電子層僅有一個(gè)電子，更容易產(chǎn)生量子起伏，在電子間產(chǎn)生必要的相互作用。

之后，班納吉的團(tuán)隊(duì)用中子進(jìn)行轟炸，激發(fā)電子旋轉(zhuǎn)，從而在量子層面上發(fā)生了“飛濺”，并對(duì)散射中子的模式進(jìn)行了觀測(cè)。班納吉說(shuō)：“許多電子在跳舞。它們使我覺(jué)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(shí)促使電子形成了成對(duì)的馬約拉納費(fèi)米子。

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

班納吉說(shuō)：“看到它們真實(shí)存在于你能摸得著的物質(zhì)中，是非常特別的。”科學(xué)家將這種新物質(zhì)命名為量子自旋液體。

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

但是，能產(chǎn)生量子比特的傳統(tǒng)物質(zhì)是講究且昂貴的，需要得到悉心“照料”，確保絲毫沒(méi)有運(yùn)動(dòng)變化和熱量波動(dòng)，而且毫無(wú)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(chǎn)出量子比特，就會(huì)在高溫下保持活躍，即使原料自身特性不佳，也不會(huì)受到影響。