一道80年來的物理難題被解開，美中科研人員聯手發現了馬約拉納費米子

1937年，馬約拉納猜測自然界也應該存在正反一體的費米子。不久，這位科學家在一次旅行中失蹤，使得馬約拉納費米子在世人眼中更顯神秘。

「審稿人審了整整一年，他們每提一個疑問，我們都會用30多頁紙進行回復，還為此增加了很多實驗。不過，我們都很理解這種審慎的態度，畢竟80年來科學家們一直在尋找這種預言中的粒子。」美國加州大學洛杉磯分校教授、上海科技大學特聘教授王康隆在電話的那一頭，語氣平靜。義大利物理學家埃托雷·馬約拉納曾經預言，自然界中可能存在一類特殊的粒子，其反粒子就是它們自身，這種粒子被稱為馬約拉納費米子。現在，這一神秘粒子在實驗中被真正發現了。

北京時間今天（7月21日）凌晨，國際頂尖學術期刊《科學》在線發表了這項重大突破性實驗成果。這一工作由美國加利福尼亞大學洛杉磯分校和上海科技大學課題組主導，得到了加州大學爾灣分校、加州大學戴維斯分校等8家團隊的支持，理論部分得到了斯坦福大學張首晟團隊的支持。

最初做實驗時沒有想要找到這個粒子

在物理學領域，構成物質的最小、最基本的單位被稱為「基本粒子」。基本粒子世界有兩大家族：費米子和玻色子，它們分別以兩位物理學家恩利克?費米和薩特延德拉?納特?玻色的名字命名。比如，構成物質材料之一的電子就是一種費米子，而傳遞作用力的光子是一種玻色子。在玻色子家族，正反一體的粒子是存在的，比如光子。但在費米子家族，是否也存在這樣的正反一體粒子呢？

1937年，馬約拉納猜測自然界也應該存在正反一體的費米子。不久，這位科學家在一次旅行中失蹤，使得馬約拉納費米子在世人眼中更顯神秘。

「我們最初做實驗時，並沒有計劃一定要找到這個粒子。在物理學這個奇妙的世界裡，理論和實驗相輔相成，共同推動了諸多科學新發現。」王康隆介紹。從2009年，王教授的團隊開始了關於拓撲絕緣體的研究，而課題組最初瞄準的目標是為了探索這種材料是否能夠應用於低功耗電子晶元的開發；為此他們累積生長了3000多片拓撲絕緣體薄膜，逐漸摸索出一套材料優化的工藝技術，這為之後馬約拉納費米子的探測打下了堅實的基礎。2013年由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。在此基礎上，2015年，斯坦福大學張首晟課題組理論預測出馬約拉那費米子可能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。當時也觀測到了量子反常霍爾效應的王康隆課題組，這才開始探尋神秘的馬約拉那費米子。

在3個不同樣品中實現了重複觀測

「這的確是我參與做過的最漂亮的實驗。」論文共同通訊作者、上海科技大學信息科學與技術學院助理教授寇煦豐說。作為王康隆的學生，他全程參與了該實驗，去年從美歸來。據他介紹，把量子反常霍爾態和超導態結合在一起，還要保持它們各自的特性不受彼此影響，這對於實驗材料製備來說無疑是非常艱巨的挑戰。在實驗中，他們只能不斷調節和優化材料參數，最終憑藉鈮這種金屬材料與超薄磁性拓撲絕緣體的結合，形成了拓撲超導態，並在隨後的電學測量實驗中成功觀測到了表徵一維手性馬約拉納費米子的半整數量子電導。

「這個實驗工作很清楚證明了馬約拉納費米子的存在。」曾獲得2004年諾貝爾物理學獎的麻省理工學院教授弗蘭克·維爾澤克在評價這一工作時說：「最大的亮點在於成功地將許多看似不兼容的關鍵元素集成在一起，同時通過材料體系的優化成功捕捉到了這種新粒子的量子態，著實是這個領域的一個突破性工作。」

除了器件製備和界面優化，測量則是另一難點。「我們的測量精度做到了小數點後5位，且在3個不同樣品中實現了重複觀測。」寇煦豐說，國內外之前的工作主要集中在對零維度馬約拉納基模的探測上，而他們是首次在二維空間中觀測到了一維度的手性馬約拉納費米子的量子化行為，從而提供了該粒子存在的直接證據。

馬約拉納費米子的發現有何意義呢？王康隆告訴記者，科學家在研發拓撲量子計算機的道路上已經探索了30餘年，而且使用的也都是普通粒子，如果不保持粒子間的相關性，數據傳輸容易出錯。馬約拉納費米子的穩定性好，這一發現對於控制馬約拉納費米子，進而實現拓撲量子容錯計算提供了新的思路。

論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/357/6348/294

題圖來源：視覺中國  圖片編輯：笪曦

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