宣布“結(jié)束人類80年的漫長追尋”，旋即又陷入到2年多的爭議。4位華人科學(xué)家發(fā)現(xiàn)正反同體“天使粒子”的成果，終于迎來了階段性的判定。

1月3日，以美國賓夕法尼亞州立大學(xué)物理系助理教授常翠祖等為通訊作者的一篇論文在線發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。該團隊在30多個樣品上均未能找到“天使粒子”存在的證據(jù)，相反，此前所謂的“證據(jù)”可能用一種更為平庸的“短路”機制來解釋。

常翠祖，山東濰坊人，2007年本科畢業(yè)于山東大學(xué)光學(xué)工程系，后進入清華大學(xué)師從薛其坤，2013年獲得博士學(xué)位。在國際上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的重磅成果，就是他深度參與并最早通過短信告知恩師的。隨后，常翠祖作為麻省理工學(xué)院博士后重復(fù)了這一工作。

正反一體粒子

時間倒回到2017年7月，同樣是在《科學(xué)》上，一篇題為《量子反?；魻柦^緣體-超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的手征馬約拉納費米子?！返恼撐某鍪?，轟動一時，通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆。

這項工作，涉及到一種預(yù)言中的神秘粒子——馬約拉納費米子。物理學(xué)領(lǐng)域的基本粒子分為兩種：費米子和玻色子，費米子包含電子、夸克等我們熟悉的組成物質(zhì)的粒子。

1928年，物理學(xué)家保羅·狄拉克做出預(yù)測：宇宙中的每個基本粒子都有一個與其對應(yīng)的反粒子——電荷相反的“雙胞胎”。當(dāng)粒子與反粒子相遇時，它們會湮滅，同時釋放出一股能量。

1937年，意大利天才物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納提供了另一種預(yù)測：應(yīng)該有一些費米子，自己就是自己的反粒子，并可以用一個波動方程來描述。馬約拉納預(yù)測之后悄然失蹤，給這一預(yù)言增添了神秘色彩。

80年后，同樣有天才之名的張首晟給馬約拉納費米子起了個別名叫“天使粒子”，靈感來源于丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使，沒有魔鬼的完美世界?！?/p>

電導(dǎo)“半個臺階”

何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆等人找到的決定性實驗證據(jù)，是“半個臺階”，即半整數(shù)電導(dǎo)機制。

張首晟在2008年理論預(yù)言了量子反?；魻栃?yīng)，并在2013年被其好友、清華大學(xué)教授薛其坤團隊證實。在實驗中，隨著調(diào)節(jié)外磁場，反常量子霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)出量子平臺，對應(yīng)著1、0、-1倍基本電阻單位e2/ h。也就是說，它只能整數(shù)倍地“跳臺階”。

通常的粒子只能跳整個臺階，那么正反同體的馬約拉那費米子從某種意義上算是“半個粒子”，會不會按半整數(shù)跳呢？1993年，麻省理工學(xué)院教授文小剛就預(yù)測在一些二維拓撲物態(tài)邊界上會出現(xiàn)手征馬約拉納費米子模。

當(dāng)加州大學(xué)洛杉磯分校王康隆團隊把普通超導(dǎo)體置于反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時，確實看到了“半個臺階”，對應(yīng) 1/2 倍基本電阻單位e2/ h。

成果三重爭議

在廣泛媒體報道之后，“天使粒子”成果陷入長期爭議。

第一重爭議：有沒有發(fā)現(xiàn)真實的粒子？

其實，馬約拉納費米子一直有個“最佳嫌疑人”，就是中微子。不過，證明這一點需要進行無中微子的beta雙衰變實驗，人類暫時還沒有能力達到相應(yīng)的實驗精度。因此，一些科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向了凝聚態(tài)物理。

凝聚態(tài)物理學(xué)研究的是由大量粒子組成的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，一般無法直接觀測到單個粒子。不過，固體材料（比如金屬、非金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）內(nèi)部的自由電子，在何時的磁場、壓力、溫度等外部條件下，會產(chǎn)生特定的集體活動趨勢，仿佛是一個虛擬粒子。

這些“準(zhǔn)粒子”，在合適的環(huán)境條件會表現(xiàn)出和真實粒子一樣的物理規(guī)律，只是“附身”在固體材料上，可以視作粒子投射其上的魅影，即馬約拉納費米子模。

簡化一點描述的話，真正的馬約拉納粒子是三維的，而虛擬的馬約拉納費米子模是一維的。

論文本身使用的是“手征馬約拉納費米子?！钡膶I(yè)表述，但媒體廣泛使用了更為通俗的“馬約拉納粒子”這一提法，引起一些誤解。

第二重爭議：貢獻分配“內(nèi)訌”。在張首晟主導(dǎo)了成果的廣泛曝光后，王康隆對其“喧賓奪主”有所不滿。他公開表示，張首晟并未參與到實驗中，直到論文發(fā)表前的3個月，張才要求成為文章的通訊作者。

2018年12月，張首晟因抑郁癥在斯坦福大學(xué)墜樓身亡，關(guān)于“天使粒子”的公開討論逐漸沉寂，然而，實驗重復(fù)性這第三重爭議，卻始終暗流涌動。

該成果發(fā)布后，國際上多個研究組試圖重復(fù)實驗結(jié)果，但再未得到“天使粒子”的明確證據(jù)。一些理論認為，關(guān)鍵的半整數(shù)電導(dǎo)平臺可能并非由手征馬約拉納費米子模造成，存在幾種更為平庸的解釋，包括材料邊緣的“短路”問題。

事實上，“天使粒子”論文從投遞到發(fā)表長達一年，據(jù)知情科研人員透露，《科學(xué)》審稿人確實有此種顧慮，要求王康隆團隊盡力排除其他可能性后才最終接收。

祛魅

此次《科學(xué)》發(fā)表的負面結(jié)果論文，最終指向了“短路”這一平庸的機制。論文題為《在量子反?；魻柍瑢?dǎo)器件中缺乏手征馬約拉納費米子模的證據(jù)》。

仿照“天使粒子”論文的實驗，賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合團隊制作了30多個普通超導(dǎo)體與反常量子霍爾效應(yīng)薄膜組合的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)器件處于反常量子霍爾態(tài)且與磁化方向一致時，兩端的電導(dǎo)始終呈現(xiàn)出半整數(shù)臺階。這與“天使粒子”論文實驗中整數(shù)臺階與半整數(shù)臺階并存的結(jié)果不符。

文章認為，這種半量子化電導(dǎo)平臺不太可能是由樣本中的手征馬約拉納粒子導(dǎo)致的。該團隊指出，此前的實驗忽略了覆蓋在反常量子霍爾效應(yīng)薄膜上的超導(dǎo)體條會將兩側(cè)的反常量子霍爾絕緣體進行簡單電學(xué)連接。換句話說，造成“短路”。這種短路才是“半個臺階”現(xiàn)象出現(xiàn)的根源。

80多年過去，馬約拉納費米子依然杳無蹤跡。它一度在凝聚態(tài)物理學(xué)界的熱門材料上閃現(xiàn)魅影，牽扯上拓撲量子計算的熱點更顯誘惑，但最終證實只是一場幻夢。