一種物理學(xué)家80年前就已預(yù)言卻一直苦尋無果的“神秘粒子”——馬約拉納費米子，近日被上海交通大學(xué)科研團隊在實驗室成功捕獲。

6月22日，上海交大舉行新聞發(fā)布會，公布人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得的這一重大突破。

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》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。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，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的可能候選對象。

中外物理學(xué)家評價稱，這或?qū)⒁l(fā)新一輪電子技術(shù)的革命，制造出性能遠(yuǎn)超普通計算機的量子計算機，使人類進入拓?fù)淞孔佑嬎愕臅r代。

神秘粒子困擾物理學(xué)界80年

賈金鋒介紹稱，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”，它們是構(gòu)成各種物質(zhì)的原材料。

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），分別以物理學(xué)家費米和玻色的名字命名。

“一般認(rèn)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?！辟Z金鋒說。

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”。

但是，令科學(xué)家十分頭疼的是，要證明這一點非常困難，在過去近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)。

直至2016年初，上海交大學(xué)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，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?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據(jù)?！笆聦嵣希覀兯l(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(zhǔn)粒子，但它同樣符合馬約拉納的預(yù)言?！?/p>

賈金鋒介紹，準(zhǔn)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，可大大簡化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象的物理機理。

賈金鋒說，粒子和準(zhǔn)粒子的關(guān)系就像球員和球隊的關(guān)系：一支球隊中每個球員可看作是傳統(tǒng)意義上的粒子，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。

“原子指南針”探測到馬約拉納費米子存在關(guān)鍵證據(jù)

幾年前，有理論物理學(xué)家預(yù)言，馬約拉納費米子很有可能在拓?fù)涑瑢?dǎo)體的渦旋中心能找到，然而，自然界中至今仍未發(fā)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體。賈金鋒團隊如何使馬約拉納費米子“露面”？

“理論預(yù)言，在拓?fù)浣^緣體上面放置超導(dǎo)材料就能實現(xiàn)拓?fù)涑瑢?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?！?strong>賈金鋒說，他們反其道而行之，將超導(dǎo)材料放在拓?fù)浣^緣體下面，使它上方“生長”出拓?fù)浣^緣體薄膜，讓薄膜表面變成拓?fù)涑瑢?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，使觀察更方便，為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎(chǔ)。

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)，賈金鋒立刻敏銳地意識到，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。“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(zhǔn)確地探測一個原子的磁性特征，幫助我們找到隱藏的馬約拉納費米子?！?/p>

在南京大學(xué)剛建成的一臺掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)幫助下，團隊研究人員用自旋極化的掃描隧道顯微鏡，在“人造拓?fù)涑瑢?dǎo)薄膜”表面的渦旋中心進行了仔細(xì)測量。2015年底，賈金鋒團隊及其合作者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)。” 賈金鋒說。

2016年初，研究團隊通過反復(fù)對比實驗，發(fā)現(xiàn)只有馬約拉納費米子才能產(chǎn)生這種自旋極化電流的現(xiàn)象。至此，馬約拉納費米子的神秘面紗終于被揭開。

或使人類進入拓?fù)淞孔佑嬎銜r代

找到馬約拉納費米子意味著什么？研究團隊表示，這意味著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了一個重大突破，同時也意味著在固體中實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎愠蔀榭赡堋?strong>這個發(fā)現(xiàn)或?qū)⑹谷祟愡M入拓?fù)淞孔佑嬎愕臅r代。

據(jù)團隊物理專家介紹，量子計算機處理數(shù)據(jù)的速度驚人，如果把量子計算機比作飛機的話，那么普通計算機只能算是自行車。以天氣預(yù)報為例，如使用量子計算機來計算天氣數(shù)據(jù)，能瞬間運算海量數(shù)據(jù)，大大提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

量子計算機還能對海量已經(jīng)合成的新材料，甚至還能對未合成的概念材料進行系統(tǒng)、精確、高效地計算，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的進步。而科學(xué)家們預(yù)期，馬約拉納費米子就是制造量子計算機的完美選擇之一。

賈金鋒表示，迄今還沒有制造出真正意義上的量子計算機，其中一個很重要的原因是，目前用于量子計算的粒子的量子態(tài)并不穩(wěn)定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應(yīng)進行的計算。而馬約拉納費米子的反粒子就是自己本身，它的狀態(tài)非常穩(wěn)定。這些屬性或許使量子計算機的制造變成現(xiàn)實的一個關(guān)鍵，從而幫助人類敲開拓?fù)淞孔佑嬎銜r代的大門。

對于賈金鋒研究團隊的發(fā)現(xiàn)，美國科學(xué)院院士、MIT講席教授Patrick Lee稱這是一個曠世之作，“這是第一個研究渦旋中馬約拉納態(tài)自旋相關(guān)特性的實驗。實驗數(shù)據(jù)定性地與理論預(yù)期符合，這強烈地說明馬約納拉態(tài)的存在。這個工作打開了一個研究馬約拉納物理的新窗口，將一定會帶來更多的理論和實驗進展?！?/p>

科學(xué)突破獎獲得者、拓?fù)淅碚撔滦恰IT教授Liang Fu說，這個實驗除了證明馬約拉納費米子像理論預(yù)言的那樣存在，還第一次研究了它不同尋常的自旋特性。更重要的是，他們在非常小的磁場下發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費米子，這說明拓?fù)浣^緣體-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是一個非?？煽康牟牧掀脚_，并具有可能的器件應(yīng)用前景，這將毫無疑問地在這個激動人心的領(lǐng)域里激發(fā)更多的工作。