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據(jù)央廣網(wǎng)報道，上海交通大學(xué)科研團隊在實驗室里成功捕捉到了一種物理學(xué)家尋找多年的神秘粒子——馬約拉納費米子。這種粒子既是困擾物理學(xué)界80多年的正反粒子同體的特殊費米子，也是未來制造量子計算機完美選擇對象之一。

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(xué)刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)賈金鋒教授及其合作者的論文：“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor”。通過巧妙的實驗設(shè)計，賈金鋒研究團隊率先觀測到了在渦旋中的馬約拉納費米子的蹤跡，同時也提供了用相互作用調(diào)控馬約拉納費米子存在的有效方法。在過去的80年里，粒子物理學(xué)家一直在搜尋馬約拉納費米子，此前，已有美國、荷蘭等國科學(xué)家宣稱找到這種粒子“跡象”。這次中國科學(xué)家成功“探測”到了它的蹤跡，意味著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，也許離人類跨入量子計算時代的夢想會邁進一大步。

圖為上海交大賈金鋒教授在實驗室。

揭開困擾物理學(xué)界80年的神秘粒子“面紗”

在物理學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家把構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位叫做“基本粒子”，它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是構(gòu)成各種各樣物質(zhì)的原材料。

在粒子世界里，住著兩大家族：費米子家族（如電子、質(zhì)子）和玻色子家族（如光子、介子），它們分別以物理學(xué)家費米和玻色的名字命名。一般認為，每一種粒子都有它的反粒子，費米子和它的反粒子就像一對長相一模一樣，但脾氣完全相反的雙胞胎兄弟，兩兄弟一見面就“大打出手”，產(chǎn)生的能量甚至?xí)屗鼈兯查g湮滅。

然而在1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，這種費米子的反粒子不但和它自己長相一樣，脾氣也完全相同。兩兄弟站在一起就像照鏡子，可以說，它們的反粒子就是自己本身，這種費米子被稱為“馬約拉納費米子”，認為其在量子計算中可用來形成穩(wěn)定的比特。

意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納

粒子物理標準模型里的中微子是一種可能的馬約拉納費米子。但是，令科學(xué)家十分頭疼的是，要證明這一點卻是非常的困難，必須觀察到一種所謂的無中微子雙貝塔衰變的現(xiàn)象。盡管科學(xué)家做了很多努力，但在過去的近80年中，物理學(xué)家一直都未找到馬約拉納費米子存在的證據(jù)。

2016年初，中國的科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了這類神秘粒子存在的跡象。上海交通大學(xué)大賈金鋒教授研究組與浙江大學(xué)許祝安、張富春研究組，南京大學(xué)李紹春研究組及美國麻省理工學(xué)院傅亮教授等合作形成的研究團隊，率先觀測到了在拓撲超導(dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據(jù)。

“事實上，我們所發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費米子并不是一個傳統(tǒng)意義上的粒子，而是一種準粒子，但它同樣符合馬約拉納的預(yù)言。準粒子是凝聚態(tài)物理中一個重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，也就是說把傳統(tǒng)意義上的某種粒子的集體行為的某些表現(xiàn)，看作是一個粒子的行為（即準粒子）。這樣可以大大簡化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象的物理機理。”

賈金鋒介紹說，粒子和準粒子的關(guān)系就像球員和球隊的關(guān)系：一支足球隊中每個球員可以看作是傳統(tǒng)意義上的粒子，球員之間相互配合可以看作是粒子之間的非常復(fù)雜的相互作用，雖然每個球員都有自己的特色，但整體上球隊卻會表現(xiàn)出來一個統(tǒng)一的風(fēng)格。例如西班牙國家隊可以用傳控足球風(fēng)格來描述，意大利國家隊則是體現(xiàn)了一種防守反擊戰(zhàn)術(shù)。我們可能不了解隊中每個球員的特點以及球員之間的配合情況，但是他們整支球隊卻像一個準粒子一樣可以比較簡單地被認識。

也有科學(xué)家一直認為，至今還沒有被直接觀測到的中性超對稱費米子很可能組成了宇宙中大多數(shù)甚至全部的暗物質(zhì)，而這種中性超對稱費米子可能就是一種馬約拉納費米子。因此，觀測到復(fù)合的馬約拉納費米子，對于揭開暗物質(zhì)的謎團也許又進了一步。

“原子指南針”探測到馬約拉納費米子存在的關(guān)鍵證據(jù)

近80年來，各國科學(xué)家從來沒有停止對馬約拉納費米子的尋找，幾年前理論物理學(xué)家預(yù)言，馬約拉納費米子很有可能在拓撲超導(dǎo)體的渦旋中心能找到，然而，自然界中至今還沒有發(fā)現(xiàn)拓撲超導(dǎo)體，那么賈金鋒團隊又是怎樣使馬約拉納費米子“露面”的呢？

圖為實驗室內(nèi)的人造拓撲超導(dǎo)體

“尋找馬約拉納費米子的過程就是不斷突破、不斷創(chuàng)新的過程。理論預(yù)言，在拓撲絕緣體上面放置超導(dǎo)材料就能實現(xiàn)拓撲超導(dǎo)。這件事情聽起來容易，但卻在材料科學(xué)領(lǐng)域是一大難題。而且，由于在上方的超導(dǎo)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(chǔ)上，他們沒有按照大多數(shù)人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最終，把超導(dǎo)材料放在了下面，使它上方“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(dǎo)體，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費米子從“暗處”翻到了“明面”上，觀察起來更方便了，為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎(chǔ)。

在馬約拉納費米子研究的最初階段，沒人知道這種神秘的粒子會以什么形式出現(xiàn)，賈金鋒團隊的研究人員所能做的只是仔細搜尋拓撲超導(dǎo)體上的所有蛛絲馬跡。雖然他們陸續(xù)找到了一些這種粒子存在的跡象，但一直不能最終確定這些跡象就一定代表馬約拉納費米子的本征特性。

2014年底，一篇理論文章預(yù)言了馬約拉納費米子的磁學(xué)性質(zhì)，他立刻敏銳地意識到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡來探測馬約拉納費米子。“地球有南極和北極，同樣，在磁性材料表面的不同位置處也有‘南’與‘北’，這就是材料的磁學(xué)性質(zhì)。自旋極化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個‘原子指南針’，能夠準確地探測一個原子的磁性特征，幫助我們找到隱藏在拓撲超導(dǎo)體渦旋中的的馬約拉納費米子。”

然而，馬約拉納費米子的磁性非常弱，要探測到它需要有更加靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡。目前，上海交通大學(xué)研究團隊擁有的儀器還達不到所需要的低溫（40mK，比絕對零度只高0.04K）。怎么辦？他們一方面積極為實驗進行準備，摸索樣品生長條件，準備磁性針尖等。另一方面，他們四處聯(lián)絡(luò)，尋找有條件的單位。結(jié)果很幸運，在微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)2011協(xié)同創(chuàng)新中心內(nèi)，發(fā)現(xiàn)南京大學(xué)剛剛建設(shè)一臺40mK的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，可以為該實驗提供了一個充分的實驗條件。

隨后，團隊研究人員按照預(yù)先設(shè)計好的方案，用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在“人造拓撲超導(dǎo)薄膜”表面的渦旋中心進行了仔細測量。2015年底，賈金鋒團隊及其合作者終于直接觀察到了馬約拉納費米子存在的有力證據(jù)。“在實驗中，我們觀察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流, 這是馬約拉納費米子存在的確定性證據(jù)。”