華人科學家群力突破80年物理難題

埃托雷·馬約拉納（1906-1938），來源：wikipedia

撰文 呂浩然

7月21日，學術期刊《科學》（Science）在線發表了由美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）王康隆課題組主導，斯坦福大學張守晟課題組及上海科技大學寇煦豐課題組等8家單位合作完成的一項研究成果——研究團隊首次在磁性拓撲絕緣體薄膜與超導體結合的異質結構中發現了一維手性馬約拉納費米子存在的證據[1]。此次工作也是繼去年6月上海交通大學賈金鋒課題組發現基態馬約拉納費米子存在的證據之後，該領域又一重大發現，這讓我們距離徹底揭開馬約拉納費米子的神秘面紗又近了一步。

粒子世界有兩大家族：費米子家族和玻色子家族，它們分別以物理學家恩利克·費米（Enrico Fermi，1901—1954）和薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894—1974）的名字命名。人類已知的所有基本物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料（電子、夸克、中微子），而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。

較早之前，學界普遍認為，每一種粒子都有它的反粒子，且狀態與粒子本身相反。直到1937年，義大利物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，它們的反粒子就是它們自身，這種費米子被稱為馬約拉納費米子。在馬約拉納預言這種特殊費米子存在後近80年的時間裡，科學家一直試圖找尋它的蹤跡，卻一直未果。

值得一提的是，因為馬約拉納費米子的反粒子就是它本身這一特殊屬性，發現它的蹤跡對解釋宇宙中各種未知的難題具有重要意義。不僅如此，馬約拉納費米子因可以在量子計算過程中形成穩定的比特，考慮到目前量子計算領域的巨大發展潛力，包括微軟、IBM等知名IT巨頭紛紛投入大量資金，爭相佔領量子計算領域的制高點。

2016年6月22日，上海交通大學賈金鋒課題組及其合作者在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表論文[2]，宣布課題組在拓撲絕緣體與超導體結合形成的拓撲超導體（TSC）界面中成功觀察到了由基態馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流，為證明零維馬約拉納費米子的存在提供了確定性證據。

而此次研究團隊發現，在磁性拓撲絕緣體（Cr-(BiSb)2Te3）薄膜與超導體（Nb/Au）混合的結構中施加強度很低（0.3T）的磁場之後，會形成量子反常霍爾效應態與超導態共存的狀態，此時在磁場交替反轉的位置可以觀測到手性拓撲超導序對應的半整數量子化電導（half-integer quantized conductance plateaus），這種現象也是馬約拉納費米子模式的一個鮮明特徵。

不僅如此，此次研究還具有以下幾個創新點：

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可以通過施加外加磁場來改變邊界電流的傳輸路徑

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在研究的異質結構體系中，量子反常霍爾態可以與超導態共存，研究人員將其稱為手性拓撲超導態（chiral topological superconductor）。

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可以在不同的外加磁場下，實現手性拓撲超導態N從+2+10-1-2的量子相變。而當N=±1時，其對應的即為一維手性馬約拉納費米子態。

論文共同通訊作者，上海科技大學寇煦豐研究員告訴《知識分子》，此次工作首次在二維空間中觀測到了手性馬約拉納費米子的量子態，且在不同的樣品中實現重複觀測。這一發現可能為控制馬約拉納費米子，進而實現拓撲量子容錯計算提供了一條新的途徑。

針對此次的研究成果，《知識分子》邀請到了中國科學院卡弗里理論物理研究所所長張富春教授解讀：

《科學》在線發表的美國加州大學洛杉磯分校王康隆實驗組與斯坦福大學張首晟理論組等合作在拓撲物質方面的最新研究成果，在實驗上發現了手性馬約拉納零能模。馬約拉納費米子是上世紀三十年代在理論上預言的可能存在的一種基本粒子。與電子、質子等自然界其它費米子不同，馬約拉納費米子的反粒子就是它自身。最近的理論研究指出，特定凝聚態體系中可能演生出馬約拉納零能模，它可以組成基本構件發展拓撲量子計算。

馬約拉納零能模已經在特定的一維鏈的兩端以及二維拓撲超導渦旋中心有實驗報道，並正在研製量子比特。王康隆等發現的馬約拉納粒子與之前發現的局域粒子不同之處在於，此次發現的是在二維邊界上延伸的手性模式，可用於輸運。這一發現將對凝聚態中馬約拉納粒子的研究和可能的應用起到很大的推動作用。

最早關於手性馬約拉納零能模存在的預言指出，該零能模存在於手性P-波超導的邊界。但由於材料問題，一直沒有能夠實現。王康隆課題組此次的發現是在量子反常霍爾絕緣體上利用超導鄰近效應實現的。他們用外磁場調控量子態，在量子反常霍爾效應磁性反轉附近觀察到了半整數量子化的電導，獲得了馬約拉納粒子存在的有力證據。他們的發現，也是我們中國幾年前由薛其坤團隊發現的量子反常霍爾效應的一個重要應用。

參考文獻：

[2] Hao-Hua Sun, Kai-Wen Zhang, et al. & Jin-FengJia, Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor,Phys. Rev. Lett. 116, 257003 (2016).

另：感謝中國科學院物理所丁洪研究員及論文共同第一作者何慶林博士、潘磊博士對本文的幫助。

製版編輯：呂浩然丨

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