中國科學家觀察到馬約拉納零能模——一個狀態數都不是整數的怪獸，拓撲量子計算的構件
賽先生/文
6月22日，上海交通大學賈金鋒教授領導的科研團組召開新聞發布會，重點介紹了他們的最新發現——在實驗上證實了馬約拉納零能模的存在。在該團組之前，國際上也有其他團組稱發現了馬約拉納零能模，但都受到不少專家質疑。而對於賈金鋒團隊的實驗結果，來自麻省理工學院的該領域專家Patrick Lee和傅亮都認為，該實驗是目前最令人信服的證據。
那麼，賈金鋒教授的團組此次發現與前人工作有哪些異同？該發現的確定性有多強？他們採用了什麼方法？該發現有著怎樣的意義？一路走來，他們曾遇到的最大挑戰是什麼？他們下一步的計劃是什麼？賈金鋒教授將一一與大家分享。
布會現場合影，從左至右，分別是邢定鈺院士、李紹春教授、孫昊樺、賈金鋒教教授、張富春教授和劉燦華教授。
在正式進入賽先生與賈金鋒教授的問答之前，還是讓我們先來了解下背景知識。
我們生活的物理世界中有兩大類基本粒子：費米子和玻色子。費米子包括所有夸克和輕子（如電子），以及任何由奇數個夸克和輕子所組成的複合粒子（如質子和中子）。原子是由質子和中子構成的原子核和外層電子所構成，由此可看出，費米子是我們物質世界的組成成分。在被譽為物質質量之源的希格斯玻色子被發現之前，玻色子被認為是物質間相互作用的傳遞者，如四大相互作用力的傳遞粒子，其中傳遞引力相互作用的引力子還未被發現。
粒子物理學中，將費米子定義為自旋為半整數奇數倍（1/2、3/2、5/2、……）的粒子；而玻色子指自旋為整數倍的粒子。費米子和玻色子之所以被物理學家保羅?狄拉克如此命名，是為了紀念名為費米和玻色這兩位物理學家。
1927年，狄拉克提出方程描述了自旋為1/2的自由費米子，這類費米子也因此得名為狄拉克費米子。他預言了與粒子質量相同但電性相反的反粒子的存在，隨後於1932年得到了卡爾?安德森在實驗上的證實：安德森發現了電子的反粒子——正電子。目前，實驗上已有了更多的反粒子例證，如中子和質子等粒子的反粒子的發現。
狄拉克費米子的反粒子不是自己。義大利物理學家埃托雷?馬約拉納思索，假如某費米子呈電中性，那麼它的正粒子和反粒子就是它自己了。於是，1937年，他對狄拉克方程式進行了改寫，得到馬約拉納方程式，描述的是自旋為1/2的中性粒子。這類反粒子是自己的粒子也因此被稱為馬約拉納費米子。馬約拉納還指出，這種費米子可用來描述當時唯一知道的電中性物質粒子——中微子。
埃托雷?馬約拉納
目前，在基本粒子中，還沒有已知的馬約拉納費米子，而中微子是否為馬約拉納費米子，也還不清楚。凝聚態物理給馬約拉納費米子的範圍以及從理論落地實驗帶來了希望。
凝聚態物理，關注的是物質材料在基態情況下的性質。二次大戰之後，物理學家開始採用量子場論的一些方法來解決凝聚體物質問題，其中較為有名的事例是准粒子這一概念的引入。准粒子，又稱集體激發。在多體複雜系統中的擾動可以像波那樣傳播。而這些波在量子力學中又對應於粒子，這就是所謂的准粒子。
賽先生主編文小剛認為：「當超導材料有自旋軌道耦合時，根據BCS理論，其中的准粒子正好是自己的反粒子。BCS理論已被很多實驗反覆驗證過。准粒子數目不守恆已成為凝聚態物理中的常識。准粒子數只有奇偶守恆，這正是馬約拉納費米子的特點。所以超導材料中的准粒子應該就是馬約拉納費米子，其早已被發現，驗證了馬約拉納的預言。」（需要指出，這一觀點有爭議，很多人並不認同。）十幾年前，凝聚態物理學家發現，馬約拉納費米子可被用於形成馬約拉納零能模，例如在某些超導體中，被量子磁渦旋束縛的零能量態，就是馬約拉納零能模。這個情況下，馬約拉納零能模深刻地改變了渦旋的量子統計性質，它們作為一個共同體形成了一種有非阿貝爾統計的新型粒子，即非阿貝爾任意子。
藝術家想像中的馬約拉納零能模。圖片版權：Alexey Drjahlov/CC-BY-SA
非阿貝爾任意子和熟知的玻色子、費米子完全不同。它有一個非常令人驚奇的性質：它帶有分數自由度——也就是說它內部狀態的數目，甚至不是一個整數。像帶馬約拉納零能模的量子磁渦漩，它的內部自由度只有半個量子比特。兩個帶馬約拉納零能模的量子磁渦漩放在一起，才有兩個內部狀態，對應於一個量子比特。這種分數自由度以前從來還沒有被發現過。目前有的僅僅是一些理論預言。1991年，Moore-Read和文小剛分別指一些量子霍爾態中的准粒子，就帶有非阿貝爾統計和分數自由度。後來Read-Green、Kitaev和傅亮-Kane指出非阿貝爾任意子也可以被馬約拉納零能模來實現。從2008年起，傅亮-Kane第一個提出實驗上可行的方案，即利用拓撲絕緣體和常規超導體的界面，構建出實現馬約拉納零能模所需要的一切條件。後續工作進一步拓展了可行的材料界面體系。由於非阿貝爾任意子其分數自由度的性質，一開始很多人認為這種怪物不可能存在。所以這些理論預言的實驗驗證，將是非常重要的發現，比早前發現超導體中的馬約拉納費米准粒子，要重要的多。(需要指出的是，在凝聚態物理文獻中，馬約拉納費米子和馬約拉納准粒子常常被用來指馬約拉納零能模。)
讓馬約拉納零能模備受關注的另一個原因，它很可能應用於量子計算機。實現量子計算機的兩個難點是保證其使用的量子比特足夠穩定，不受局部環境所影響；另一個是保證在量子比特運算過程中出現的誤差不大。這兩個問題可以很好地被非阿貝爾任意子來解決，而超導體中的馬約拉納零能模恰好是最簡單的非阿貝爾任意子，所以它自然就驅動著物理學家們的努力追尋。另外觀察到馬約拉納零能模在實驗上第一次直接驗證了有自旋軌道耦合的超導體中的准粒子是馬約拉納費米子。
接下來，就讓我們看看賽先生對賈金鋒教授的專訪。
賽先生：2008年，Pennsylvania大學的物理學家Charles Kane和他的博士研究生傅亮在理論上提出，馬約拉納零能模能出現在拓撲絕緣體和超導體的交界面處。後續更多理論預言的出現顯示，即使沒有任何拓撲絕緣體，馬約拉納零能模也能出現。隨後，國際上包括你的科研團組在內的多個團組正積極開展實驗去尋找馬約拉納零能模，你能與大家分享下馬約拉納零能模吸引你的奇妙之處嗎？為了發現它，實驗上有哪些可以努力的方向呢？
賈金鋒：馬約拉納零能模是一種最簡單的非阿貝爾任意子，它們遵循一種特殊的統計規律，可以用來實現拓撲量子計算。玻色統計和費米統計是粒子最重要的性質。發現玻色統計和費米統計之外的一種新的統計規律，不言而喻是非常重要的發現。
今後努力的方向很多。因為有非常多種的理論預言了很多種體系都可以產生馬約拉納零能模，所以確定一個體系是非常重要的。
賽先生：你的團組最近在這個方向有什麼新發現嗎？
賈金鋒：最近，我們用自旋極化掃描隧道顯微鏡觀察到了馬約拉納零能模的自旋相關的特性，並且與理論預言及計算非常一致。這樣就確定性地證明了馬約拉納零能模的存在。
賽先生：你的團組當初的研究動機，就是為了發現馬約拉納零能模嗎？
賈金鋒：是的。2012年，我們成功地製備出了拓撲絕緣體/超導體異質結以後，我們就把目標定在了發現馬約拉納零能模上。
賽先生：為了發現馬約拉納零能模，你的團組採用了怎樣的實驗設計？與傅亮-kane的理論設計有什麼異同呢？
賈金鋒：我們採用了傅亮-kane的理論設計。他們的設計比較簡單，就是在拓撲絕緣體上面放置超導體，這樣通過超導近鄰效應就可以把拓撲表面態變成超導，這就是一種拓撲超導。但我們的實驗方案和他們的設計有一個重要的不同，我們把拓撲絕緣體放在了超導體的上面，而不是像他們設計的那樣把超導體放在上面。這樣不僅便於製備，也易於觀察與研究。
賽先生：回想該過程，最大的挑戰是什麼？
賈金鋒：最大的挑戰是確定研究體系與方法。
賽先生：你覺得馬約拉納零能模的發現意味著什麼？你們下一步的目標是什麼？
賈金鋒：馬約拉納零能模的發現，證實了馬約拉納費米子的存在，也證實了非阿貝爾統計存在的預言。這意味著非阿貝爾統計這一物理新方向的開始。
下一步要做的工作很多。首先，我們希望能在更多的體系上觀察到馬約拉納零能模，並提高觀察的溫度（現在需要400毫開爾文）；其次，我們還希望能得到獨立的馬約拉納零能模，沒有其它低能模的干擾，這樣將非常有利於零能模研究它們的性質。另外，將嘗試對它們進行操控與編織，為拓撲量子計算的實現奠定基礎。
賽先生：Kouwenhoven和Yazdani領導的兩個團組以前都聲稱發現了馬約拉納零能模，但都受到很多專家質疑。你們的實驗有什麼優勢？有多確定？
賈金鋒：他們用的是納米線體系，這種體系需要加非常大的外加磁場，才能使系統變成拓撲超導，而且拓撲的體能隙非常小，需要非常精確的控制才能把費米能級調到能隙中，這樣才能觀察到馬約拉納零能模。這種體系容易受雜質影響，而且需要極低溫（~10mk）。我們的體系簡單，不存在雜質影響的問題，而且超導能隙和費米能級都看得非常清楚，還不需要很大的磁場。因為有超導能隙的保護，原則上可以在較高溫度下（超導態存在）實現馬約拉納零能模。100%的確定！
賽先生：中微子的發現與研究、宇宙微波背景輻射的發現等，都說明了理論和實驗的密切合作能帶來新發現。實驗發現馬約拉納零能模，再一次說明了這點。您能分享下您對實驗和理論之間關係的看法嗎？在實驗中，遇到問題有時再回到理論，會不會有新的靈感？
賈金鋒：理論的支持是非常重要的！
我們遇到的困難是在2013年，在拓撲超導上看到了一些與普通超導上不一樣的行為，怎麼用馬約拉納零能模來解釋這個行為是當時遇到的最大困難。後來發現了一篇理論文章，利用裡面計算的結果可以很好地解釋我們的實驗結果。包括最後的實驗也是理論預言了有這種現象，我們只是在我們的系統里最先觀察到了。
賽先生：你團組的這一工作，可以說是團隊合作的成果。你在指導團隊成員分角度攻關時，讓大家有力往一起使，最終能開花結果。能介紹下你領導團隊的經驗嗎？比如，如何因材施教，如何調動積極性，如何推進項目前進等。
賈金鋒：這絕對是一個合作的成果，這一系列工作一共有10個合作單位，幾十個個人。首先得了解每個人的長處，以及她/他能做的事情，然後才能把大家的力量聚在一起。
賽先生：中國現在教育體系受考試影響很大，而實驗室需要的是有動手能力的學生。你在這方面有什麼評論？你自己是如何鍛煉自己的實驗能力的？你如何尋找、訓練實驗能力強的學生？一個學生如何能夠加強自己的實驗能力？
賈金鋒：我自己的動手能力是比較強的，這個不是在實驗室培養的。我的學生動手能力差別也很大，但最重要的是努力。不努力再有能力也沒用！
賽先生：凝聚態物理最近有很多新進展，你能談談該領域在這幾十年中的發展特點嗎？未來勢頭怎麼樣？有人說，馬約拉納零能模的發現，其性質可用來編碼量子級別數據，將會使得拓撲量子計算的實現變得可能。你覺得我們今天離拓撲量子計算的實現還有多遠？
賈金鋒：凝聚態方面的進展其實非常好，中國在超導，包括鐵基超導和界面高溫超導方面都做出了國際領先的成果，在低維材料，特別是最近比較熱的二維材料方面也是成績斐然；在拓撲理論方面也有一大批國際領先的成果，等等。實在很多，我說的可能不全。
這一方面是國家持續支持的結果，另一方面和華人科學家在這個領域的整體優勢和水平較高有關。這個領域的優秀年輕人也越來越多，一定會有更大的發展。
我不太熟悉拓撲量子計算，所以就不多評論了。我覺得，拓撲量子計算的實現還要看那個領域的投入。
賽先生：在介紹完你們團組這一發現以及該領域的大致情況之後，相信不少青年學子躍躍欲試，要加入你們團隊，能再簡要介紹下你的實驗團組，說說你最看重學生的什麼能力嗎？
賈金鋒：我的團隊有4個年輕老師，大約20名研究生。我們有4套國際先進水平的儀器，還在購買另外2套。承擔了國家很多項目，研究經費比較充足。
學生最重要的是喜歡物理，喜歡實驗。然後就是刻苦、努力。聰明並不是最重要的。
麻省理工學院物理學家傅亮點評：
激動人心的發現開端
賈金峰教授所領導的隧穿掃描實驗，為在超導和拓撲絕緣體界面上的馬約拉納零能模提供了可靠的證據。在固體材料中被預言出現的馬約拉納零能模帶有非常不尋常的基本特性，有可能成為量子計算機的基礎構件。除了實驗上驗證理論的預言，實驗還第一次揭示了馬約拉納零能模所具有的特徵自旋性質。另外，在很小磁場下觀察到馬約拉納零能模，也說明超導拓撲絕緣體界面是這一現象的理想平台，可以用於做科學研究，甚至器件應用。這一發現，毫無疑問會激發在這一激動人心領域中更多的科學工作。
傅亮
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