[科普中国]-首次观测到马约拉纳费米子

美国东部时间6月21日（北京时间6月22日），国际顶级物理学刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了上海交通大学贾金锋教授团队关于马约拉纳费米子的最新研究成果——通过巧妙的实验设计，贾金锋团队观察到证明马约拉纳费米子存在的直接证据——自旋极化电流现象，这是自1937年关于存在马约拉纳费米子的预言后，科学家首次获得该粒子存在的确凿证据。 在过去的近80年里，物理学家一直致力于找到证明马约拉纳费米子存在的证据，此前美国、荷兰等国的科学家也曾经声称观测到马约拉纳费米子，但都受到诸多质疑。 而对于贾金锋团队的实验结论，PRL的审稿人及来自麻省理工学院的该领域专家Patrick Lee和傅亮都表示该实验结果是目前最令人信服的证据。 那么，贾金锋团队的工作有何独特之处，能够俘获专家们的一致认可？被物理学权威称赞为“旷世之作”的实验设计又有怎样的巧妙之处？马约拉纳费米子的存在会带来什么？诸多疑问，我们邀请到上海交通大学贾金锋教授本人做出解答。
俘获世界物理学权威的实验设计 众所周知，我们的世界是由基本粒子组成的，而粒子世界有费米子和玻色子两大家族。其中费米子是构成物质的基本材料，如组成质子和中子的夸克、中微子等，而玻色子则是指传递作用力的粒子，如光子、介子、胶子、W和Z玻色子。科学家们认为，每一种粒子都有它的反粒子，这些反粒子共同组成了反物质世界，当物质与反物质相遇时会产生巨大的能量而湮灭。但是，1937年意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一种与其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是马约拉纳费米子。但是在过去的近80年中，尚未有科学家能够证明这一预言的正确性，马约拉纳费米子也一直仅仅作为一种理论构想存在于科学家的想象里。

图1 马约拉纳费米子预言者意大利物理学家埃托雷·马约拉纳
由于马约拉纳费米子在量子计算领域以及解释宇宙暗物质问题方面的重要价值，世界各国有几十个团队都加入到寻找马约拉纳费米子的行列，为此，美国、荷兰还设立了专门的基金，著名的计算机公司微软也在这方面投入了大量的经费。2010年以来，国际上的重要期刊已经刊登关于马约拉纳费米子的SCI文章近1万篇。世界上也曾有研究团队声称观察到了马约拉纳费米子的迹象，但都受到很多专家质疑，而对于上海交大贾金锋团队的研究成果，来自该领域的专家表示这是目前最令人信服的证据。 究竟是怎样巧妙的实验设计俘获了世界权威专家呢？贾金锋教授表示，“理论预言，在拓扑绝缘体上面放置超导材料就能实现拓扑超导，这件事情听起来容易，但在材料科学领域却是一大难题。而且，由于在上方的超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被探测到。”贾金锋说，在大量实验基础上，他们独辟蹊径，把超导材料放在了下面，在它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，这样巧妙的实验设计为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。

图2 贾金锋教授展示其团队制作的人造拓扑超导体
前所未有的深信不疑 那么究竟是怎样强有力的实验结果让专家对其如此深信不疑？ 贾金锋表示，其他研究团队对于观测到马约拉纳费米子的依据，主要是基于其能量为零这一特点。实际上，能量为零并不能够完全证明马约拉纳费米子的存在，因为其它因素也可能在能量为零处造成一个峰，不能排除这些因素的影响，是很多研究团队的结论一直饱受争议的原因。而贾金锋团队则恰恰避开了这一争议点，不仅研究能量为零这一特殊性质，还将注意力放在了马约拉纳费米子具有自旋特性这一关键点上。而自旋特性不受环境中其他因素影响，仅仅是由其本身的性质所决定，因而其研究结论也是相当具有说服力的，获得专业领域的支持与认可也不足为奇。

图3 贾金锋教授在实验室
辗转多地只为遇见“你” 贾金锋团队在大量实验的基础上，将相最初制备出拓扑绝缘体/超导体异质结的成果发表在2012年的《科学》杂志上，《科学》杂志审稿人评价这一成果为“材料科学的突破”和“巨大的实验成就”。然而，巨大的成就之后寻找马约拉纳费米子的路也不是“一帆风顺”的，更加充满挑战。这项被称为“旷世之作”的实验成果，也是辗转多地才最终问世。 贾金锋团队在确定了实验方案之后，即面临着一项棘手的技术难题：马约拉纳费米子的磁性非常弱，想要实现观测目的需要灵敏度更高、温度更低的扫描隧道显微镜。而上海交大的实验设备还达不到如此苛刻的低温条件（40mK，比绝对零度只高0.04K），但幸运的是，经过他们坚持不懈的四处联络，最终在南京大学找到了可以为实验提供成分条件的40mK扫描隧道显微镜系统，贾金锋团队运用自旋极化的扫描隧道显微镜在“人造拓扑超导薄膜”表面的涡旋中心进行了仔细测量，并成功观察到了由马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流，贾金锋表示，这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。同时，他们还与浙江大学合作，进行实验数据的理论计算等工作。在2016年初，研究团队发现理论计算的结果完全支持实验中观察到的现象，至此马约拉纳费米子正式问世。经过多年的不懈努力，在国内多家科研机构的配合下，贾金锋团队终于解开了马约拉纳费米子神秘的面纱，并最终取得了这一举世瞩目的成就。
未来·已来：开启量子计算新时代 近80年前意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言自然界中存在马约拉纳费米子之后，物理学家进行了大量证明其存在的研究工作。让科学家对其心生向往的重要原因之一，就是马约拉纳费米子是未来制造量子计算机的完美候选对象，人类有可能通过这一发现而实现拓扑量子计算，引发新一轮的电子技术革命。
图4 量子计算机
那么什么叫做量子计算？通俗的来讲，就是拥有惊人的数据处理速度的计算机。刚刚在德国闭幕的世界超算大会（ISC）上评选出的目前世界上最快的超级计算机——“神威·太湖之光”，拥有每秒12.54亿亿次的峰值计算速度，而这样已经令人瞠目结舌的数据处理能力，跟量子计算机比起来，就如同是自行车与飞机的差别。对于目前超级计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题，在量子计算机上不过是小菜一碟。而人类之所以至今仍未制造出量子计算机的重要原因，就是目前使用的粒子的量子状态很不稳定，极容易受到电磁干扰和其他物理因素的影响。但马约拉纳费米子不同，由于其反粒子就是本身的特殊性质，使其拥有非常理想的稳定性，对于实现稳定的量子计算具有非同一般的重要意义。马约拉纳费米子的发现，就如同打开了量子计算世界的大门，人类看到的是一个拓扑量子计算的新时代。

图5 上海交通大学贾金锋教授
近年来，我国科学家在世界科学领域取得了一项又一项丰硕的成果，此次贾金锋教授团队首次观察到马约拉纳费米子，更是人类在量子物理学领域取得的重大突破，是具有划时代意义的重要发现，人类距离跨入量子计算时代又近了一步。不过发现马约拉纳费米子虽然令人振奋，但这仅仅是研究马约拉纳物理的开端，接下来还有很多工作等待完成、很多难题等待攻克。但我们相信，人类在固体中实现拓扑量子计算已经成为可能，量子计算的新时代即将来临，新一轮信息技术革命也已不远。