華人研究團隊發現新粒子，這其中會有下一個諾獎得主嗎？

雷鋒網按：作為楊振寧的學生，如果華人物理學家張首晟也獲得諾貝爾物理學獎，那將是諾獎歷史上的一件盛事，也將是中國的一件盛事。

圖：張首晟

據7月21日出版的《科學》雜誌報導，加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學教授張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等多個團隊共同完成了一項重大發現：他們發現了正反同體的「天使粒子」——馬約拉那（Majorana）費米子，結束了國際物理學界長達80年的漫長探索。

值得一提的是，作為近幾年諾貝爾物理學獎的熱門候選人，不知道張首晟教授能否藉由這個粒子的發現，一舉奪得今年的諾貝爾物理學獎呢？

1937-2017，80年探索

自古以來，不論東西方哲學家，都認為人類似乎生活在一個充滿對立的世界，有黑必有白，有正必有負。這個理論同樣適用於物理學，宇宙中存在粒子，必然也會存在其對應的反粒子。

1937年，義大利理論物理學家埃托雷?馬約拉那(Ettore Majorana)對這項「真理」提出了質疑。在他的論文中猜測，會不會存在一類沒有反粒子的粒子，或者說正反同體的粒子？自此，尋找他提到的這一粒子成為物理學家一直以來的探索目標。但是進展一直緩慢，因為基礎物理的研究是一段極為漫長的過程，一個重大的發現往往需要50年甚至100年之久。

圖：義大利物理學家埃托雷·馬約拉納

50年已過，好在不需要再等下一個50年。

據相關報導：

早在2008年，張首晟理論就預言了量子反常霍爾效應，這一預言在2013年被清華大學教授薛其坤領銜的清華大學物理系和中科院物理研究所聯合組成的實驗團隊證實。在實驗中，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。也就是說，量子世界裡的電阻是量子化的,它只能整數倍地跳台階。

這給了張首晟一個靈感：馬約拉那費米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整數跳，馬約拉那費米子或許就是按半整數跳——它一定會呈現出一個奇特的、「1/2的台階」。由此，他預言手性馬約拉那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。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那費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平台，對應 1/2 倍基本電阻單位e2/ h。

圖：搜尋手性Majorana費米子的實驗平台

在後續的實驗驗證中，激動人心的成果出現了：王康隆等實驗團隊確實看到了「1/2的台階」。這半個基本電阻來源於馬約拉那費米子作為半個傳統粒子的特殊性質，因此，多出來的半整數量子平台為手性馬約拉那費米子的存在提供了有力的印證。

圖：多個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，這為馬約拉那費米子的發現提供了直接而有力的實驗證據。

Majorana費米子，讓我們離量子計算更近一步

從基本科學發現到技術應用，中間往往需要經歷多年。張首晟表示，天使粒子的發現意味著量子計算已成為可能，可以看到實際的應用前景。

在這裡要解釋一下量子計算。

量子計算是一種使用量子邏輯進行通用計算的設備。不同於電子計算機（或稱傳統電腦），量子計算用來存儲數據的對象是量子比特，它使用量子演算法來進行數據操作。量子計算機能做出離散對數運算，而且速度遠勝傳統電腦。因為量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態。如果把半導體比喻成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40比特的量子計算機，就能在很短時間內解開1024比特電腦花上數十年解決的問題。

圖：D-Wave系統公司的量子計算機，運行條件極其苛刻

如果能將量子計算投入實用，將會是革命性的創新。目前，谷歌、微軟等科技巨頭也已著手對量子計算進行研究。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毀滅其量子特性。

馬約拉納費米子或許恰是令量子計算機的製造變成現實的一個關鍵：它沒有反粒子，或者說相當於半個傳統粒子，這就提供了一種絕妙的可能：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，傳統的雜訊難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進而毀滅所存儲的量子信息。相較於傳統的存儲方式，Majorana費米子能夠用於構造穩固的拓撲量子計算機。

馬約拉納費米子的發現不只完善了理論物理學，也促進了產業界的發展。當然，在這支發現馬約拉納費米子的隊伍中，張首晟帶領的理論團隊功不可沒。

他領導的研究團隊於2006年提出的量子自旋霍爾效應被《科學》評為2007年「全球十大重要科學突破」之一，前面提到的拓撲絕緣體的發現讓他榮獲2015年富蘭克林獎章。此外。他先後獲得過古根海姆基金獎、洪堡研究獎、歐洲物理獎等諸多獎項，入選美國文理科學院院士、中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士等多個計劃。

諾貝爾物理學獎獲得者Frank Wilczek對馬約拉納費米子的發現如此評價: 張首晟與團隊設計了全新的體系, 並在實驗中清晰地測量到馬約拉那費米子,這是一項里程碑的工作。

不過，目前他還未能獲得聲名在外的諾貝爾獎。

多年陪跑，諾獎終將收納囊中？

其實，早在很久之前，張首晟的導師楊振寧就評價他「獲得諾貝爾獎只是時間問題」。

2014年，入選湯森路透引文桂冠獎（湯森路透美國總部發布的「諾貝爾獎得主預測」名單），只可惜被日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二發明的藍光LED打敗，接下來連續兩年陪跑。

細數諾獎多年的歷史，威廉·倫琴發現X射線，詹姆斯·查德威克發現中子，丁肇中發現J粒子，卡爾·安德森發現正電子，馬丁·佩爾發現τ子，弗雷德里克·萊因斯發現中微子。不知張首晟能否在未來被這樣記住：因對馬約拉那（Majorana）費米子的發現做出的傑出貢獻，成為2017諾貝爾物理獎獲得者。

總結：

1957年，楊振寧與李政道因為共同提出宇稱不守恆定律，成為最早的華人諾貝爾物理學獎得主。

在60年後的今天，作為楊振寧的學生，如果華人科學家張首晟也獲得諾貝爾物理學獎，那將是諾獎歷史上的一件盛事，也將是中國的一件盛事。

雷鋒網原創。雷鋒網。

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