电子可以分解了？

蒂亚·戈斯

科学家发现了一种异乎寻常的物质形态，在这种物质形态中，其他状态下不可分离的电子似乎分离了。

班纳吉是田纳西州橡树岭国家实验室的科学家， 他说：“科学家曾经预测到这种新型物质形态，但在此之前还没有在现实生活中发现过。一种奇特物质中的电子开启‘量子舞蹈模式后，就会形成这种物质形态，其中的电子自旋以特殊的方式相互作用。”同时他还说：“这些发现开拓了生产更好的量子计算机之路。”

在日常生活中，大多数人只见过三种普通的物质形态：固态、液态和气态。然而，在特殊情形下，就会出现更加奇特的物质形态。

例如，大约40年前，物理学家提出存在一种被称作量子自旋液态的物质形态，其中的电子相互作用，产生了奇特的效果。电子具有旋转的特性，像小磁粒一般指向某个方向，如果所有小磁粒沿同一方向排列，就形成了铁磁性物质；如果相邻磁粒的旋转方向恰好相反，就形成了反铁磁性物质；如果电子的旋转方向混乱无序，不发生相互作用，就形成了顺磁性物质。

班纳吉说，在降温的过程中，大多数物质的小磁粒会趋于相同的指向，但在量子自旋液态中的小磁粒则互相“交谈”。因此，在量子自旋液态中，不论温度有多低，小磁粒都会影响彼此的旋转方式，而且一直呈乱序状态。

班纳吉认为，量子自旋液态看上去像是固态，也就是说，可以拿在手中。然而，如果拉近镜头，放大后仅观察原子外层的电子，就会发现这里的电子具有液态特性，杂乱无序地相互作用。他说，电子仍然相互作用，形成波，形成脉动，但没有聚集在一起。

大约10年前，物理学家阿列克谢·基塔耶夫预测量子自旋液体具有一种特殊形态，似乎能将电子分解为马约拉纳费米子。长期以来，科学家就预测，马约拉纳费米子能够成为自身的反粒子。如果量子自旋液体确实存在，就会产生非常奇妙的效果，因为质子和中子由更小的粒子（夸克）构成，而电子是公认的基本粒子，电荷与电子的旋转是不可分割的。

班纳吉认为，在这种情况下，尽管电子没有分裂为更小的成分，但自旋相互作用使得电子看起来像是分裂了，这就是量子自旋液体中的马约拉纳费米子被称为准粒子的原因。

班纳吉及其同事开始想办法证明基塔耶夫的预测在现实世界中是可以出现的。他们观察了三氯化钌的粉末。三氯化钌的原子以蜂窝模式分布在一个二维平面上。班纳吉说，钌元素的外电子层仅有一个电子，更容易产生量子起伏，在电子间产生必要的相互作用。

之后，班纳吉的团队用中子进行轰炸，激发电子旋转，从而在量子层面上发生了“飞溅”，并对散射中子的模式进行了观测。班纳吉说：“许多电子在跳舞。它们使我觉得，我们把电子切分成更小的粒子了。”他们推断，这种材料确实促使电子形成了成对的马约拉纳费米子。

这种奇特的脉动与一般量子自旋液体的脉动迥然不同，并且具有形成马约拉纳费米子径迹的特性：不因气温的小幅升降而消失。

班纳吉说：“看到它们真实存在于你能摸得着的物质中，是非常特别的。”科学家将这种新物质命名为量子自旋液体。

班纳吉还说，在量子计算中，信息编码不再是经典的0和1比特。物质中的原子或粒子以0和1比特之间所有可能的叠加状态存在，这意味着每个量子比特能够同时处理许多比特，信息的量子纠缠使得计算可以瞬时完成。

但是，能产生量子比特的传统物质是讲究且昂贵的，需要得到悉心“照料”，确保丝毫没有运动变化和热量波动，而且毫无瑕疵。

相反，如果研究人员能够以基塔耶夫自旋液体为原料生产出量子比特，就会在高温下保持活跃，即使原料自身特性不佳，也不会受到影响。