張首晟團隊宣布發現天使粒子-神秘的Majorana費米子

科技 07-22

斯坦福大學終身教授、中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士、丹華資本創始人張首晟在北京舉辦記者招待會宣布了Majorana費米子的發現，將這種神秘粒子命名為「天使粒子」，該發現刊登於世界最權威學術期刊之一《科學雜誌》上。

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Majorana費米子，相較其他粒子而言，Majorana費米子或許更加神秘。

我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。 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。Dan Brown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Majorana費米子，而Majorana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。

從那開始，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Majorana費米子；這一猜測有可能被無中微子的beta雙衰變實驗所驗證。可惜的是，這項實驗所要求的精度在今後的10年到20年以內都難以達到。凝聚態物理中，Majorana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。

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Majorana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Majorana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Majorana費米子。他們在GaAs（111）襯底上製備了反常量子霍爾效應薄膜（Cr0.12Bi0.26Sb0.62）2Te3，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。

手性Majorana費米子的發現為持續了整整80年對這一神秘粒子的搜索畫上了圓滿的句號。類比Dan Brown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Majorana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。

Majorana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。Majorana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Majorana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Majorana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Majorana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Majorana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。