2021年8月底的一個深夜，北京北四環(huán)邊，白日的喧囂已歸于平靜，中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）的燈仍然亮著，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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(fā)表了由這個意外發(fā)現(xiàn)引發(fā)的新成果：中國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)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(zhǔn)粒子格點(diǎn)陣列。

科學(xué)家們的新理想

“你們想做的拓?fù)淞孔佑嬎?，到底是什么？?/span>

也就是說，在這個領(lǐng)域，誰有能耐看清并操控微觀世界，誰才有可能最先實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎恪?/span>

這些年，他們一直在各種鐵基超導(dǎo)材料中尋找這種神奇粒子的身影。

“鐵基超導(dǎo)材料體系存在材料組分不均一、馬約拉納準(zhǔn)粒子占比低、陣列無序且不可控等問題?！备啉欌x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(zhǔn)粒子陣列，才能向拓?fù)淞孔佑嬎愀M(jìn)一步。

直到2021年8月底的那個夜晚，異常波紋出現(xiàn)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(xiàn)象出現(xiàn)了。代表馬約拉納準(zhǔn)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(qiáng)一點(diǎn)，馬約拉納準(zhǔn)粒子亮斑也隨之變得更密。當(dāng)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(tuán)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(dān)心一旦位置挪動就再也看不到這種奇特現(xiàn)象?！崩罡嬖V《中國科學(xué)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(dǎo)晶體產(chǎn)生大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列，而這種有序的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列可以被外磁場調(diào)控?！备啉欌x說。

用磁場調(diào)控大面積有序的馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列  中科院物理所供圖

顯微鏡的外觀并不起眼?！斑@是我們自行設(shè)計、搭建、組裝的儀器?！闭撐耐ㄓ嵶髡吒啉欌x說。

從2006年開始，實(shí)驗(yàn)室先后設(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(dá)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(dá)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?yàn)閮x器的超強(qiáng)“視力”，使得他們清清楚楚地看見并操控了馬約拉納準(zhǔn)粒子陣列。

就像這個其貌不揚(yáng)卻實(shí)力不俗的儀器一樣，在高鴻鈞團(tuán)隊的實(shí)驗(yàn)室里，有很多看似隨意實(shí)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(yàn)和訣竅的?！备啉欌x指著包裹著儀器的不太美觀的錫紙說。

但是，“儀器好”“經(jīng)驗(yàn)足”并不是能夠說服審稿人的科學(xué)依據(jù)。于是，研究組又用了兩個月，在實(shí)驗(yàn)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(fù)出同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

看到重復(fù)實(shí)驗(yàn)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?！?/span>

“這些結(jié)果新穎且令人興奮?！绷硪晃辉u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(xué)》論文

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(tuán)隊有一個很特別的習(xí)慣，熱衷于在半夜兩三點(diǎn)鐘工作。“夜深人靜的時候，可以避免電噪聲、機(jī)械噪聲對儀器的干擾。”高鴻鈞說。

從2018年發(fā)現(xiàn)馬約拉納準(zhǔn)粒子之后，這些年來，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊始終保持著高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

“團(tuán)隊里都是年輕的科研人員和學(xué)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(xué)》成果?！备啉欌x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(nèi)外的團(tuán)隊聯(lián)合起來，以建制化的方式不斷推進(jìn)這項研究?！备啉欌x說，此次研究就是與物理所靳常青研究組、美國波士頓學(xué)院的汪自強(qiáng)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(xué)進(jìn)展，基于馬約拉納準(zhǔn)粒子的拓?fù)淞孔佑嬎氵€有很長的路要走?！?/span>

李更告訴《中國科學(xué)報》，下一步，他們要進(jìn)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(dǎo)材料壓出雙軸電荷密度波條紋。

他們還有一個更遠(yuǎn)的目標(biāo)?！白屜嗷タ拷鸟R約拉納準(zhǔn)粒子交換位置，實(shí)現(xiàn)對馬約拉納準(zhǔn)粒子的編織，向拓?fù)淞孔佑嬎阍龠M(jìn)一步?！备啉欌x說。

科研團(tuán)隊合影  中科院物理所供圖

相關(guān)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