預言中的馬約拉納費米子，終於被觀測到了！
美國東部時間6月21日（北京時間6月22日），國際頂級物理學刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線發表了上海交通大學賈金鋒教授團隊關於馬約拉納費米子的最新研究成果——通過巧妙的實驗設計，賈金鋒團隊觀察到證明馬約拉納費米子存在的直接證據——自旋極化電流現象，這是自1937年關於存在馬約拉納費米子的預言後，科學家首次獲得該粒子存在的確鑿證據。
在過去的近80年里，物理學家一直致力於找到證明馬約拉納費米子存在的證據，此前美國、荷蘭等國的科學家也曾經聲稱觀測到馬約拉納費米子，但都受到諸多質疑。
而對於賈金鋒團隊的實驗結論，PRL的審稿人及來自麻省理工學院的該領域專家PatrickLee和傅亮都表示該實驗結果是目前最令人信服的證據。
那麼，賈金鋒團隊的工作有何獨特之處，能夠俘獲專家們的一致認可？被物理學權威稱讚為「曠世之作」的實驗設計又有怎樣的巧妙之處？馬約拉納費米子的存在會帶來什麼？諸多疑問，我們邀請到上海交通大學賈金鋒教授本人做出解答。
俘獲世界物理學權威的實驗設計
眾所周知，我們的世界是由基本粒子組成的，而粒子世界有費米子和玻色子兩大家族。其中費米子是構成物質的基本材料，如組成質子和中子的夸克、中微子等，而玻色子則是指傳遞作用力的粒子，如光子、介子、膠子、W和Z玻色子。科學家們認為，每一種粒子都有它的反粒子，這些反粒子共同組成了反物質世界，當物質與反物質相遇時會產生巨大的能量而湮滅。但是，1937年義大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一種與其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是馬約拉納費米子。但是在過去的近80年中，尚未有科學家能夠證明這一預言的正確性，馬約拉納費米子也一直僅僅作為一種理論構想存在於科學家的想像里。
圖1 馬約拉納費米子預言者義大利物理學家埃托雷·馬約拉納
由於馬約拉納費米子在量子計算領域以及解釋宇宙暗物質問題方面的重要價值，世界各國有幾十個團隊都加入到尋找馬約拉納費米子的行列，為此，美國、荷蘭還設立了專門的基金，著名的計算機公司微軟也在這方面投入了大量的經費。2010年以來，國際上的重要期刊已經刊登關於馬約拉納費米子的SCI文章近1萬篇。世界上也曾有研究團隊聲稱觀察到了馬約拉納費米子的跡象，但都受到很多專家質疑，而對於上海交大賈金鋒團隊的研究成果，來自該領域的專家表示這是目前最令人信服的證據。
究竟是怎樣巧妙的實驗設計俘獲了世界權威專家呢？賈金鋒教授表示，「理論預言，在拓撲絕緣體上面放置超導材料就能實現拓撲超導，這件事情聽起來容易，但在材料科學領域卻是一大難題。而且，由於在上方的超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被探測到。」賈金鋒說，在大量實驗基礎上，他們獨闢蹊徑，把超導材料放在了下面，在它上方「生長」出了拓撲絕緣體薄膜，讓拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體，這樣巧妙的實驗設計為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎。
圖2 賈金鋒教授展示其團隊製作的人造拓撲超導體
前所未有的深信不疑
那麼究竟是怎樣強有力的實驗結果讓專家對其如此深信不疑？
賈金鋒表示，其他研究團隊對於觀測到馬約拉納費米子的依據，主要是基於其能量為零這一特點。實際上，能量為零並不能夠完全證明馬約拉納費米子的存在，因為其它因素也可能在能量為零處造成一個峰，不能排除這些因素的影響，是很多研究團隊的結論一直飽受爭議的原因。而賈金鋒團隊則恰恰避開了這一爭議點，不僅研究能量為零這一特殊性質，還將注意力放在了馬約拉納費米子具有自旋特性這一關鍵點上。而自旋特性不受環境中其他因素影響，僅僅是由其本身的性質所決定，因而其研究結論也是相當具有說服力的，獲得專業領域的支持與認可也不足為奇。
圖3 賈金鋒教授在實驗室
輾轉多地只為遇見「你」
賈金鋒團隊在大量實驗的基礎上，將相最初製備出拓撲絕緣體/超導體異質結的成果發表在2012年的《科學》雜誌上，《科學》雜誌審稿人評價這一成果為「材料科學的突破」和「巨大的實驗成就」。然而，巨大的成就之後尋找馬約拉納費米子的路也不是「一帆風順」的，更加充滿挑戰。這項被稱為「曠世之作」的實驗成果，也是輾轉多地才最終問世。
賈金鋒團隊在確定了實驗方案之後，即面臨著一項棘手的技術難題：馬約拉納費米子的磁性非常弱，想要實現觀測目的需要靈敏度更高、溫度更低的掃描隧道顯微鏡。而上海交大的實驗設備還達不到如此苛刻的低溫條件（40mK，比絕對零度只高0.04K），但幸運的是，經過他們堅持不懈的四處聯絡，最終在南京大學找到了可以為實驗提供成分條件的40mK掃描隧道顯微鏡系統，賈金鋒團隊運用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在「人造拓撲超導薄膜」表面的渦旋中心進行了仔細測量，並成功觀察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流，賈金鋒表示，這是馬約拉納費米子存在的確定性證據。同時，他們還與浙江大學合作，進行實驗數據的理論計算等工作。在2016年初，研究團隊發現理論計算的結果完全支持實驗中觀察到的現象，至此馬約拉納費米子正式問世。經過多年的不懈努力，在國內多家科研機構的配合下，賈金鋒團隊終於解開了馬約拉納費米子神秘的面紗，並最終取得了這一舉世矚目的成就。
未來·已來：開啟量子計算新時代
近80年前義大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言自然界中存在馬約拉納費米子之後，物理學家進行了大量證明其存在的研究工作。讓科學家對其心生嚮往的重要原因之一，就是馬約拉納費米子是未來製造量子計算機的完美候選對象，人類有可能通過這一發現而實現拓撲量子計算，引發新一輪的電子技術革命。
圖4 量子計算機
那麼什麼叫做量子計算？通俗的來講，就是擁有驚人的數據處理速度的計算機。剛剛在德國閉幕的世界超算大會（ISC）上評選出的目前世界上最快的超級計算機——「神威·太湖之光」，擁有每秒12.54億億次的峰值計算速度，而這樣已經令人瞠目結舌的數據處理能力，跟量子計算機比起來，就如同是自行車與飛機的差別。對於目前超級計算機需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題，在量子計算機上不過是小菜一碟。而人類之所以至今仍未製造出量子計算機的重要原因，就是目前使用的粒子的量子狀態很不穩定，極容易受到電磁干擾和其他物理因素的影響。但馬約拉納費米子不同，由於其反粒子就是本身的特殊性質，使其擁有非常理想的穩定性，對於實現穩定的量子計算具有非同一般的重要意義。馬約拉納費米子的發現，就如同打開了量子計算世界的大門，人類看到的是一個拓撲量子計算的新時代。
圖5 上海交通大學賈金鋒教授
近年來，我國科學家在世界科學領域取得了一項又一項豐碩的成果，此次賈金鋒教授團隊首次觀察到馬約拉納費米子，更是人類在量子物理學領域取得的重大突破，是具有劃時代意義的重要發現，人類距離跨入量子計算時代又近了一步。不過發現馬約拉納費米子雖然令人振奮，但這僅僅是研究馬約拉納物理的開端，接下來還有很多工作等待完成、很多難題等待攻克。但我們相信，人類在固體中實現拓撲量子計算已經成為可能，量子計算的新時代即將來臨，新一輪信息技術革命也已不遠。
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