張首晟教授發現「天使粒子」，只有半個量子的大小

在物理學領域，人們一直在尋找一批神秘的微觀粒子：希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質和 Majorana 費米子。其中希格斯波色子已於 2012 年被歐洲核子中心發現，並將其稱為「上帝粒子」。而近日，斯坦福大學教授張首晟團隊與另外兩個實驗團隊則發現並證實了「Majorana 費米子」的存在，並將這一結果公布在了全世界最權威的學術期刊《科學》雜誌上。

探索「Majorana 費米子」的旅程可以追溯到 1937 年，物理學家 Ettore Majorana 對當時的權威——英國理論物理學家 Paul Dirac 提出的「宇宙中粒子必有其反粒子」的理論提出質疑，猜測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？為此他發表了一篇 30 頁的文章來闡述自己的想法，預測了 Majorana 費米子的存在，雖然隨後本人銷聲匿跡，但他的猜想也為後續的物理學家們留下了一個探索微觀世界的新方向。

自 2010 年到 2015 年間，張首晟團隊共計發表了三篇論文，精確預測了在哪裡能夠找到 Majorana 費米子。他們認為，手性 Majorana 費米子存在於一種由反常量子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 Majorana 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 Majorana 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 Majorana 費米子的存在。

根據上述理論，由加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆團隊以及加利福尼亞大學歐文分校夏晶團隊與張首晟團隊合作，最終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，證實了手性 Majorana 費米子的存在。

這一發現讓長達 80 年的探索終於告一段落，同時也顛覆了 Paul Dirac 的權威理論。也正因為 Majorana 費米子不存在對應的反粒子，張首晟將新發現的 Majorana 費米子成為「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。

除去在科研方面的重大突破，「天使粒子」的另一作用是用於構建穩固的拓撲量子計算機。我們知道量子計算機能夠進行高度並行的量子計算，效率遠超現在的計算機，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。相比之下，Majorana 費米子沒有反粒子，或者說相當於半個傳統粒子，這也就意味著，一個量子比特能夠被分拆分兩半，存儲在兩個距離十分遙遠的 Majorana 費米子上。如此一來，雜訊很難同時以同樣的方式影響這兩個 Majorana 費米子，毀滅其中所存儲的量子信息，使以往非常脆弱的量子比特變得更加穩固。目前該項研究已經開始進行，微軟以及谷歌方面都已提供了支持。

微觀世界的神秘與複雜程度並不比整個宇宙差多少，科學家們的探索也才邁出了一小步。上帝粒子的發現耗費了 60 多年，引力波的發現則耗費了 100 多年，也正如張首晟教授說的那樣：

基礎科學的發現往往需要具備足夠的耐心。

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