探索凝聚態(tài)中的馬約拉納粒子專題編者按

年輕的意大利理論物理學(xué)家馬約拉納在1937年研究狄拉克方程時(shí)， 發(fā)現(xiàn)了一種奇異的粒子，其反粒子即其粒子本身. 這種奇異粒子被后人稱為馬約拉納粒子. 在已知的基本粒子世界， 除了中微子， 都不是馬約拉納粒子(Majorana)， 而中微子是否是馬約拉納粒子尚待實(shí)驗(yàn)檢測(cè). 最近以來(lái)， 探索馬約拉納粒子的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了凝聚態(tài). 凝聚態(tài)體系由許多原子或電子、離子組成. 雖然構(gòu)成體系的粒子本身不是馬約拉納粒子， 但其低能下演生的準(zhǔn)粒子可以有全新的性質(zhì). 比如在Kitaev的一維超導(dǎo)鏈上， 一個(gè)電子可被分拆為束縛在鏈兩端的兩個(gè)馬約拉納粒子， 稱為馬約拉納零能模. 又比如，張首晟和他合作者在理論上闡示的， 在一定條件下量子反常霍爾效應(yīng)的狄拉克手征邊界態(tài)可以一分為二， 實(shí)現(xiàn)在空間分離的兩個(gè)手征馬約拉納粒子邊界態(tài). 凝聚態(tài)中發(fā)現(xiàn)馬約拉納粒子將對(duì)基礎(chǔ)物理有極其重要的意義， 類比于在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)三分之一的電荷及任意子的統(tǒng)計(jì). 馬約拉納零能模具有非阿貝爾統(tǒng)計(jì)， 可以構(gòu)成拓?fù)淞孔颖忍? 手征馬約拉納粒子可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電子態(tài)的非阿貝爾量子門操作. 它們均可用于組建拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)， 其應(yīng)用前景十分可觀. 由于其在基礎(chǔ)物理上的重大意義及在量子計(jì)算的可能應(yīng)用， 馬約拉納粒子已成為凝聚態(tài)研究的前沿課題. 在實(shí)驗(yàn)方面， 目前在包括超導(dǎo)納米線、一維原子鏈， 以及拓?fù)涑瑢?dǎo)渦旋中都有觀察到馬約拉納零能模的諸多證據(jù).編織零能模顯示非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)尚待努力. 關(guān)于手征馬約拉納粒子的實(shí)驗(yàn)， 最初的觀察報(bào)道至今尚未能重復(fù)， 爭(zhēng)議較大. 我相信， 理論預(yù)言的手征馬約拉納粒子會(huì)在合適的材料器件上發(fā)現(xiàn). 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的任意子的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)自理論預(yù)言至最近的實(shí)驗(yàn)證實(shí)經(jīng)歷了三十幾年， 凝聚態(tài)中馬約拉納粒子的研究?jī)H剛剛開始.

應(yīng)《物理學(xué)報(bào)》編輯部的邀請(qǐng)， 我和丁洪邀請(qǐng)了部分活躍在研究馬約拉納粒子第一線的中青年科學(xué)家， 組織了本期的專題. 胡曉與其合作者詳細(xì)討論了拓?fù)涑瑢?dǎo)機(jī)理， 并介紹了各種體系馬約拉納零能模及其新奇性質(zhì); 劉雄軍與其合作者綜述了馬約拉納零能模的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)及其在量子計(jì)算中的應(yīng)用; 孔令元和丁洪詳細(xì)綜述了鐵基超導(dǎo)渦旋中觀察到的馬約拉納零能模及其性質(zhì); Yu-Shiba-Rusinov態(tài)是一維原子鏈中馬約拉納零能模的基礎(chǔ)， 李牮討論了基于Yu-Shiba-Rusinov態(tài)的拓?fù)涑瑢?dǎo)的普遍理論; 王靖詳細(xì)介紹了他與張首晟等合作者研究的基于量子反常霍爾效應(yīng)的手征馬約拉納粒子以及設(shè)計(jì)的量子計(jì)算門; 另一位受邀撰文的李耀義和賈金鋒綜述了在人工拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中尋找馬約拉納零能模 (文章已提前在《物理學(xué)報(bào)》2019年第13期發(fā)表). 他們從不同的角度綜述了與凝聚態(tài)中馬約拉納粒子有關(guān)的理論或?qū)嶒?yàn)， 反映了此領(lǐng)域的一些現(xiàn)狀， 希望對(duì)讀者了解此前沿課題有所幫助.