苦尋80年，馬約拉納粒子終被華人科學家發現

7月21日，《科學》雜誌刊登了斯坦福大學張首晟團隊領導的一項重要研究，他們發現了物理學家馬約拉納80年前提出的一類神秘粒子。

物理學中有一份表單，囊括了那些人類夢寐以求的神秘粒子，其中就有希格斯波色字，也就是最近在歐洲粒子加速器中被發現的「上帝粒子」，表單中還有引力子、磁單極、暗物質和馬約拉納費米子，相較其他粒子而言，馬約拉納費米子或許更加神秘。

1928年，偉大的理論物理學家狄拉克作出驚人的預言：宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子。幾年之後，正電子果然在宇宙射線中被發現，驗證了有史以來最偉大的理論預言之一。目前，正電子被廣泛應用到人類生活之中，醫學影像技術PET（Positron Emission Tomography， 正電子發射斷層掃描） 就是其中之一，現在已經用於早期老年痴呆症的檢測。

當一個粒子遇上它的反粒子時，根據愛因斯坦E=mc2的質能公式，它們會相互湮滅從而將所有質量釋放出成能量。丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》就描述過這樣的正反粒子湮滅爆炸的場景。張首晟十分喜歡這本小說，也是「天使粒子」命名的靈感來源。

從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是永恆不變的真理。但是會不會有這樣一類沒有反粒子的粒子，或者說它們自身就是自己的反粒子？1937年，也就是整整八十年前，偉大而神秘的義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）猜測有這樣神奇粒子的存在，這也就是我們今天所稱的馬約拉納費米子，而馬約拉納本人在文章泄露天機之後不久就失蹤而從此銷聲匿跡了，這位傳奇的義大利理論物理學家一生只寫過10篇文章。（點擊閱讀馬約拉納人物故事）

從那時起，尋找這一神奇粒子也就成了物理學中許多領域研究工作的崇高目標。粒子物理中，標準模型範疇之外的中微子可能是馬約拉納費米子；這一猜測有可能被無中微子的β雙衰變實驗所驗證。可惜的是，雖然物理學家已經設計建造了這類實驗裝置，但暫時還都沒有收穫。不過，凝聚態物理中卻給尋找馬約拉納費米子打開了另一扇窗口，在這個領域，馬約拉納費米子有可能作為某些新奇量子基態上的准粒子或元激發而存在。

凝聚態物理學關心的是晶體等材料裡面電子的狀態和運動規律。與在真空中運動的電子不同，晶體中電子所處的環境極為複雜——排列在晶格中的原子核和周圍的其他電子都在對它施加作用。無數粒子的相互作用糾結在一起，構成了極為複雜的多體問題。要解決這樣的問題，就要把這些粒子作為整體來處理，全盤考慮粒子的集體行為。

這樣一來，粒子的集體行為，有時候等效於一個單獨粒子的活動，這個粒子就是准粒子。例如，晶體中的電子會受到其他帶電粒子的拉扯推動，其運動實際上是大量粒子共同作用的結果，但我們可以把它看成一個在真空中運動的粒子，其他粒子的作用相當於改變了這個電子的質量。這樣的話，描述這個電子的狄拉克方程，形式也發生了變化，質量項不再是電子本身的質量了。這種質量不同於電子的粒子，就是准粒子。還有，在半導體中，當許多電子集體朝一個方向運動時，看上去彷彿是少量帶正電的粒子在向反方向移動，這樣的空穴也是一種准粒子。

凝聚態物理中的准粒子還有很多種，利用准粒子，研究者可以簡化通常情況下非常複雜的多體問題。固體材料的成分和結構的變化是無窮無盡的，准粒子也有近乎無限的可能。現在，凝聚態物理學家甚至可以根據某種准粒子應當具備的性質，設計出含有這種粒子的材料，包括馬約拉納費米子。或許這種馬約拉納費米子並不是我們想像中的「基本粒子」，但如果存在更深層次的物理理論，那些基本粒子其實並不見得比准粒子更基本。當把整個宇宙視為某種物理材料時，所有的基本粒子也都可以看成是這種材料中的准粒子。

2010到2015年期間，張首晟與其團隊連續發表三篇論文，精準預言了在哪裡能夠找到馬約拉納費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。他們預言手性馬約拉納費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。在以往的量子反常霍爾效應實驗中，隨著調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台，對應著1，0，-1倍基本電阻單位e2/h。當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近效應使之能夠實現手性馬約拉納費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平台，對應?倍基本電阻單位e2/h。這半個基本電阻來源於馬約拉納費米子沒有反粒子，所以某種意義上它可以視為半個傳統粒子。所以，這多出來的半整數量子平台就提供了有力的證據，證明在時空中傳播的手性馬約拉納費米子的存在。

根據這一理論預言，來自UCLA（由何慶林、王康隆教授領導）和UC Irvine（由夏晶教授領導）的兩個實驗團隊與Stanford大學張首晟教授的理論團隊緊密合作，最終在所提出的器件中實驗上發現了手性馬約拉納費米子。他們在GaAs（111）襯底上製備了反常量子霍爾效應薄膜，並將Nb普通超導層覆蓋其上。調節外磁場時，在通常的整數量子平台之外，他們令人信服的探測到了張首晟團隊預言的半整數量子平台。隨後的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力的排除了其他可能的實驗雜訊與假象。

類比描述正反粒子湮滅爆炸的小說《天使與魔鬼》，張首晟提出這一新發現的手性馬約拉納費米子應該稱為天使粒子：我們發現了一個完美的世界，那裡只有天使，沒有魔鬼。

張首晟團隊提出的搜尋手性馬約拉納費米子的實驗平台：由反常量子霍爾效應薄膜跟置於其上的普通超導體薄膜組成的混合器件。

馬約拉納費米子能夠用於構造穩固的拓撲量子計算機。量子世界本質上是並行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子計算機能夠進行高度並行的量子計算，遠比經典計算機有效。然而，一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環境雜訊都能夠引起退相干從而毀滅其量子特性。馬約拉納費米子沒有反粒子，或者說相當於半個傳統粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠的馬約拉納費米子上。如此一來，傳統的雜訊極其難以同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉納費米子，毀滅所存儲的量子信息，使通常非常脆弱的量子比特變為穩固。

相較於傳統的存儲方式，比如電子自旋，超導磁通和光子極化，這樣存儲在遠離的兩個馬約拉納費米子上的拓撲量子比特，本質上極其穩固。張首晟團隊所提出的器件同時還是二維體系，從而允許馬約拉納費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能，天使粒子可使已經被認為是最小單位的量子拆成兩半，讓量子變得更穩定，該項研究已經可以開始應用，張首晟表示微軟和谷歌已經提供了支持，未來在國內也會開始進行應用。

UCLA和UCIrvine實驗團隊在與張首晟理論團隊合作下所測量到的與理論預測符合的半量子電導平台，這為手性馬約拉納費米子的發現提供了直接而有力的實驗證據。

從基本科學發現到技術應用往往需要多年時間，張首晟教授表示：「基本科學的發現最終總會造福人類，需要有足夠的耐心。探尋宇宙、自然深刻規律時，對於天使粒子巡遊的量子天堂充滿了興奮與期待，拓撲量子計算能夠解決當下人類面對最艱難的一些問題，從而迎來一個完美世界。

本文經新浪科技授權轉載，本刊資深編輯韓晶晶對文章亦有貢獻

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