隱藏80年的“馬約拉納粒子”為何現身上海

高博

隱藏80年的“馬約拉納粒子”為何現身上海

高博

其他研究團隊觀測到馬約拉納費米子的依據，主要是基于其能量為零這一特點。而上海交通大學賈金鋒團隊不僅研究能量為零，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，因而研究結論更有說服力。

2016年6月22日，《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線發表了上海交通大學賈金鋒團隊的研究報告，通過獨特的材料學方法和探測儀器，賈金鋒團隊觀察到了馬約拉納費米子存在的直接證據——自旋極化電流現象，這是物理學家在1937年做出預言后，實驗室里頭一次確鑿地證實了存在馬約拉納粒子。

馬約拉納丟了，他的粒子也沒蹤影

1937年，馬約拉納想到，如果是電中性的粒子，反粒子不就是它自己嗎？馬約拉納改寫了狄拉克方程，增加了這種中性粒子。

意大利理論物理學家埃雷托·馬約拉納預言說，肯定有一種粒子，它和它的反粒子是一樣的。“馬約拉納粒子”的概念誕生了，它給物理世界增加了很多可能性。

1927年，大學者狄拉克就提出了反粒子的方程。狄拉克說，反粒子是一個跟正粒子模樣雷同，卻帶著相反電荷的玩意兒。比如，電子（帶負電荷）的反粒子是正電子，質子的反粒子是反質子，中子對應的是反中子（以上都屬于“費米子”這個大家族）。只要粒子和反粒子一碰上……“bang！”，倆人同歸于盡，發出一道光。

幾年后，狄拉克的理論被實驗證實。1937年，馬約拉納想到，如果是電中性的粒子，反粒子不就是它自己嗎？馬約拉納改寫了狄拉克方程，增加了這種中性粒子。他還認為中微子可能就屬于這一類。

因為宇宙中的正反粒子總是對應的，而且撞上就一起完蛋，所以物理學家奇怪為什么宇宙中會余出來好多東西。而馬約拉納想到的這種粒子是愿意和平共處的，所以我們不禁想到：說不定宇宙里大多數物質都是馬約拉納粒子組成的呢！

可憐的馬約拉納在1938年，也就是他 32歲時候莫名其妙地失蹤了。后來，粉絲們在回憶這位神人時意識到，他研究物理的短短五年，在許多重大題目上都有閃亮的直覺，提出了不少創意。于是今天還有不少科幻小說或電影以馬約拉納為主角；他還登上了科幻連環畫冊，連環畫里，馬約拉納是被外星人給接走了。

有人在金屬絲上找“馬約拉納粒子”

其他研究團隊觀測主要是基于其能量為零這一特點，而能量為零并不能完全證明馬約拉納費米子存在，這也是為何很多研究團隊的結論飽受爭議。

各種基本粒子中并沒有馬約拉納費米子，而中微子是不是馬約拉納費米子，我們也不清楚。要找馬約拉納費米子，大家想到去凝聚態物理找。而在賈金鋒領導的科研團隊宣布發現馬約拉納粒子前，美國和荷蘭的兩個團組都曾經聲稱發現了。

比如荷蘭的考文霍夫團隊用一根特殊的金屬納米線連接超導體電路，再暴露于磁場。測量納米線的導電率，結果是在電壓為零時，導電率出現了一個峰值，科學家猜測，納米線同超導體接觸區域的兩端各有一個馬約拉納粒子。他們改變磁場方位，檢查峰值的到來和離開，與馬約拉納粒子出現預計的情況一樣。

而普林斯頓大學研究者則用一根長鐵絲接觸極冷的鉛，在超導態下探測到了鐵絲兩端的中性信號，認為這就是馬約拉納粒子。

但以上結果卻被權威質疑。賈金鋒說，其他研究團隊對于觀測到馬約拉納費米子的依據，主要是基于其能量為零這一特點。而能量為零并不能完全證明馬約拉納費米子存在，這也是為何很多研究團隊的結論飽受爭議。賈金鋒團隊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因素影響，是粒子本身的性質，因而研究結論有說服力。

對于賈金鋒團隊的實驗，《Physical Review Letters》的審稿人及來自麻省理工學院的專家帕特里克·李和傅亮都表示，該結果是目前最令人信服的證據。

超導體擱上邊不行？那就反過來

上海交通大學的團隊反過來探索，把超導材料放在下面，上面“生長”出拓撲絕緣體薄膜，這樣巧妙的設計為尋找馬約拉納費米子奠定了材料基礎。

“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。”賈金鋒說，“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，由于在上方超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被探測到。”

若干次實驗后，上海交通大學的團隊反過來探索，把超導材料放在下面，上面“生長”出拓撲絕緣體薄膜，好讓拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體，這樣巧妙的設計為尋找馬約拉納費米子奠定了材料基礎。

賈金鋒說，把材料生長最好的設備和表征能力最強的儀器相結合是一大創新，“薛其坤院士團隊和我們交大團隊在薄膜生長的精確控制方面早已是世界領先。正因為如此，我們才有能力去研究這個項目。”

另外一個創新，賈金鋒說是“首次用最簡單的辦法創造出這個自然界沒有的拓撲超導體來，這個拓撲超導體為我們提供了獨一無二的材料體系，使得我們能夠用各種先進的技術辦法對普通超導體和拓撲超導體進行觀察、研究，比較，尋找差異，從而找到馬約拉納費米子的各種跡象。”

“馬約拉納粒子”：量子計算機的合適單元

馬約拉納費米子呈電中性，很少與環境相互作用，這些屬性使它成為一種理想的量子信息編碼載體。

馬約拉納費米子受人關注的一大原因，是因為它是制造量子計算機的完美選擇之一。

普通計算機內的信息被存儲在“位”內，每一位都被編碼成0或1；量子計算機內的信息位可同時以0和 1存在，但這種疊加狀態非常脆弱。為此，物理學家們一直在尋找使量子位更穩定的方法。馬約拉納費米子呈電中性，很少與環境相互作用，這些屬性使它成為一種理想的量子信息編碼載體。

而另一方面，人們不會因為凝聚態物理中的成功而停止尋找宇宙中的馬約拉納粒子。準確地講，超導體中探測出的馬約拉納粒子是一種準粒子。賈金鋒說，那實際是一個粒子群體，好比一支風格統一的足球隊。

而宇宙學家尋找的馬約拉納粒子，是“中性超對稱費米子”，你可以把它理解為一種大號的中微子，許多人認為它可能就是宇宙中看不見摸不著卻有質量的暗物質。中國未來建立的中微子偵測大型設備，或許能為搞清這一點做出貢獻。?

（摘自《科技日報》2016年7月14日5版）