馬約拉納費米子的特性及其發現的意義

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及其合作者率先觀測到物理學家尋找多年的神秘粒子——馬約拉納費米子（Majorana fermion）的論文。在物理學領域，基本粒子有兩大家族：費米子家族（如電子、質子）和玻色子家族（如光子、介子），分別以物理學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”，產生的能量甚至會讓它們瞬間湮滅。然而在1937年，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，其反粒子不但和自己長相一樣，脾氣也完全相同。可以說，它們的反粒子就是自身，這種費米子被稱為“馬約拉納費米子”。但是，過去近80年中，物理學家一直都未找到馬約拉納費米子存在的證據。2015年底，賈金鋒團隊及其合作者終于直接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。2016年初，研究團隊發現理論計算的結果完全支持實驗觀測到的結果。

找到馬約拉納費米子意味著人類在量子物理學領域取得了一個重大突破，同時也意味著在固體中實現拓撲量子計算成為可能。量子計算機是一種基于量子物理機制處理數據的計算機，它速度驚人，使用普通計算機需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題，在量子計算機看來是小菜一碟。迄今沒有制造出真正意義上的量子計算機很重要的一個原因是，目前用于量子計算的粒子的量子態并不穩定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應進行的計算。而馬約拉納費米子的狀態非常穩定，這是量子計算機的制造變成現實的一個關鍵。

（魏亮/摘編自中青在線2016-06-23《上海交大宣布其科研團隊“捕獲”馬約拉納費米子》，作者：周凱）