寻找马约拉纳费米子：一桩物理学“悬案”终被破解

80多年前，意大利物理学家马略纳预言宇宙中存在一种神奇的粒子——梅昂纳费明。然而，我不知道为什么马略纳神秘失踪。这个神秘的粒子是否真的存在已经成为一个“悬案”。后来，凝聚态物理学家将马约拉纳费米子的概念引入固体材料，即马约拉纳束缚态。由于它的非阿贝尔统计性质，它可以应用于拓扑量子计算机。因此，寻找费米子已经成为物理学中最前沿的研究热点。

近日，马荣纳·费米子“现身”，主要发现者有高鸿钧及其团队、中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员、中国科学院物理研究所所长、中国科学院物理研究所研究员、丁洪教授及其团队。

2018年8月17日，农历七月初七，情人节。化妆精致的女孩们正等着下班后和她们的伴侣浪漫约会。在每家餐馆前，都有陆埮·周影和银发夫妇的“长队”。街道和小巷充满了玫瑰的影子和芳香……在这一天，空气中似乎也充满了粉红色的泡沫。

天色已晚，灯还亮着。与外面热闹的世界不同，中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室N04组的房间也是灯火通明，但有点安静和“冷清”。只有范鹏和一个大型实验仪器还在工作，他们通过四个电脑屏幕“背靠背”地无声交流。

范鹏是中国科学院大学(培训单位为中国科学院物理研究所)2014级博士生，由高鸿钧院士研究。他可能没有意识到，他的团队和中国科学院物理研究所的丁洪团队共同研究的一项重大成果正在引发一场爆炸性的“轰动”，这可能是2018年中国物理学给国际物理学最浪漫的“七夕礼物”。

在小房间里孕育的“大”成就

这份礼物是在铁基超导材料中发现的第一个majorana束缚态(或“零能量模式”或Mayonnah Fermion)，于8月17日清晨在《科学》杂志上发表，范鹏是第一批作者之一。

纳米物理与器件实验室位于中国科学院物理研究所A栋一楼，面积约30平方米。由高鸿钧团队独立设计和集成的超低温强磁场扫描探针显微镜系统占据了房间的三分之二。在这个设备上观察到了Mayonnafermion。

1937年，意大利物理学家马略纳预言了一个神奇的粒子:它的反粒子就是它自己。人们称这种神奇的粒子为“玛雅纳费米子”。然而，不久之后，他神秘地消失了，没有他的踪迹，但是他的预言是否是真的变成了一个“悬案”。

因为梅昂纳费米子有一个极好的特性——当它以准粒子的形式出现在固体材料的表面时，它将成为一个主要的任意子(一种量子态)，它可以用来构造拓扑量子位，并应用于自容错、高度稳定的拓扑量子计算机。换句话说，如果成功，它将改写人类历史。

然而，不同的物理学家对马荣纳费米子是否真的存在有不同的看法。直到2014年，丁洪团队与外国科学家合作发现了一些“线索”。2017年，斯坦福大学讲师、美国科学院院士张首晟将梅昂纳费蒙命名为“天使粒子”，他的团队还进一步预测了马略纳束缚态出现的可能合适条件。

寻找玛雅纳费米子是物理学领域最前沿的热点之一。许多物理学家致力于相关研究，竞争异常激烈。近年来，许多研究小组，如美国、荷兰、中国和丹麦，都声称发现了马略纳任意子或费米子的证据。然而，他们的实验都需要构造具有复杂工艺和极低温度条件的异质结构系统。

高鸿钧和丁洪联合研究小组的观察结果被称为一个里程碑式的发现，也成为人类克服拓扑量子计算机问题的重要一步。

它很有价值。

这是首次在单块超导材料中发现高纯度的蛋黄酱费米子。与其他系统相比，该系统具有温度更高、结构更纯、结构更简单的优点。同时，它为蛋黄酱费米子的研究开辟了一个新的方向。

它的意义非常重要。

张首晟说，这一发现具有重大的科学意义，极大地推动了铁基超导的研究和费米子的研究。

诺贝尔物理学奖获得者、美国科学院院士安东尼·莱格特认为，这个实验比以前的许多实验更清晰，并认为这是证明超导体中存在多数准粒子的第一个可信证据。

麻省理工学院教授、美国科学院院士温小刚说，它具有高稳定性，这是一个重要的发现，使得利用铁基超导材料来构建不受环境干扰的拓扑量子计算机成为可能。

2019年初，该成果被中国科学院和中国工程院院士列为“2018年中国十大科技进步”之一。

爱+努力工作

成功的故事总是相似的。一项重大成就的成就一定是由无数个深夜无声的斗争积累起来的。

范鹏和王东飞对整个实验有着深刻的记忆。这项研究始于2017年4月。从那以后，实验室、食堂和宿舍的“3: 1”成了他们的“日常”例行公事，偶尔通宵达旦地充当“额外的食物”。王东飞是范鹏的哥哥，2013年的博士生，也是该论文的第一位合著者。

本实验要求用He-3超低温强磁场扫描隧道显微镜观察FeTe0.55Se0.45单晶样品。

起初，他们不知道哪种单晶样品能给出“好结果”，只是不断尝试，总共测试了47个样品。今年5月，当王东飞和范鹏试图测试第二批样品时，电脑屏幕上突然出现了一个“小火苗”的标志。他们非常惊讶，但同时他们也知道这只是一个信号，数据质量不够好。

一个月后，6月5日，他们终于得到了第一组相对“漂亮”的数据——纯净而不受干扰。他们立即将结果报告给两位老师，高鸿钧和丁洪。老师们立即说这是马略纳的约束状态。

然而，他们并没有就此止步。科学家对“纯度”的追求是无止境的。在导师的指导下，他们使用高分辨率的He-3超低温强磁场扫描隧道显微镜对数据进行了改进。

“我们必须抓紧时间。”范鹏说。因为，国内外有很多团队同时也在进行相关的研究。

那是一段艰难的时期。王东飞、范鹏和孔凌源从早上9点开始工作，经常在晚上12点甚至更晚的时候回到宿舍或回家。在数据采集的关键时期，要求操作人员连续观察，每隔几分钟分析一次数据，并及时调整测量参数。为了尽快取得高质量的成绩，范鹏、王东飞和孔凌源通宵轮班工作，两人晚上一起工作。然而，每次发现一个好的样本，将安排一个班次，每次持续2-3周。

这也是一个充满成就感的时代。对他们来说，当他们看到数据一点一点接近理想值时，所有的辛苦工作都已经消失了。

“帮助和指导”打造最强团队

包括第一次在超导块中发现马略纳任意子，高鸿钧团队在凝聚态物理及其应用方面创造了许多“第一”和“第一”。

他们提出了一种基于单晶表面外延的高质量大面积石墨烯生长技术，这是世界上第一个在Ru(0001)表面获得缺陷可控的厘米级连续单晶石墨烯的技术。首次成功构建了一种新的二维过渡金属单硫化物——单层硒化铜。这是世界上首次实现单自旋量子态的可逆操纵及其在超高密度量子信息存储中的主要应用。这是世界上首次实现朗德G因子原子尺度的空间分辨率...

没有良好的团队成长机制，就不可能取得优异的成绩。高鸿钧有自己的“领导团队”的秘密。这种方法可以使每个科研“新手”迅速成长。

2015年夏天，在完成第一年的研究生学习后，范鹏回到了研究小组。他的导师没有为他设定固定的研究方向，而是首先跟随王东飞学习科学研究的“手艺”。在最初的两年里，范鹏参与了该研究小组的许多研究方向，包括硫化钼、石墨烯纳米带、铁碲硒单晶...尽管这些都是纳米尺度的表征研究，但在不同的方向上存在“巨大差异”。

如果不集中在一个方向，你如何深入下去？这对个人成长有好处吗？

“凝聚态物理是一门与实际应用密切相关的物理科学。研究热点会随着时间而变化，个人特定的研究内容也会随着热点而变化。”范鹏告诉他的感觉。在找到一个让你感兴趣的研究方向之前，你需要学习更多的是做科学研究的技能。从如何组装实验仪器和如何购买实验设备，到不同研究内容的文献研究和相关软件的“完整”科研过程，你都需要了解，“只要是与科研工作相关的，你都需要向老师和师兄们学习，而老师和师兄们也会帮你“取”。

在王东飞看来，“指导”是一个很好的模式，并且长期以来一直是他们团队的一个传统。

“导师们密切关注这一领域最重要的发展前沿。讲师设计和开发了世界*的仪器和设备，然后带领团队进行了强有力的研究。”“刚进入科学研究领域，我们可能不知道我们感兴趣的方向。只有当我们学得更多、看得更多时，我们才知道自己想要什么。接触不同研究的过程也是找到我们自己兴趣点的过程。”

王东飞表示，通过初步的科研训练和对相关课题和研究方向的大致了解，学生们会大致了解自己的兴趣和优缺点。有时导师也会帮助学生进行分析，并为学生做出选择提供建议。"导师的学术视野非常广阔。"

“每周，同一研究方向的成员将举行小组会议。导师会倾听我们的最新进展，帮助我们解决遇到的问题。”范鹏说。

此外，每个周六上午，研究小组将举行一次文献报告，每个成员将需要用英语给出某个方向的概述，或者是前沿科学研究的进展。

除了“指导”和小组内部交流与讨论之外，广泛而密切的国际合作以及鼓励学生与*国际学术领袖交谈是团队快速成长的另一个秘密。

来自美国、英国、德国等领域的顶尖国际科学家与研究团队建立了长期或短期的合作关系。每个季度，他们都会来物理研究所做报告，并与学生就实验问题和结果进行交流讨论。

目前，范鹏正在撰写一篇关于TMD二维材料研究的研究论文，初稿已经完成。然而，当与一位外国科学家交流时，他发现他的论文有点“简单明了”，没有突出工作的重点。在外国科学家的指导下，他学会了如何突出研究重点，理清逻辑思维，在论文写作中清晰简洁地表达。“科学研究最终将在国际舞台上展示。实验完成后，如何用英语报告你的学术成就，以便其他人能够理解、理解和接受研究的重点是非常重要和具有挑战性的。”范鹏说，

有时候，成长可能只是上级的一两句结束语。

高鸿钧团队的博士毕业生中，目前有美国著名大学的3名教授，新加坡著名大学的1名教授，以及中国著名大学和研究机构的10多名教授和研究人员，如中国人民大学、武汉大学、北京工业大学、Xi交通大学和中国科技大学等。几个人留在了物理研究所。

蛋黄酱费米子的发现只是长征的第一步，它的特性需要探索今年2月，王东飞到德国汉堡大学应用物理研究所和跨学科纳米科学中心做博士后研究员，继续他对马约拉纳费米子的研究。

对于即将结束博士生涯的范鹏来说，他已经找到了自己的研究兴趣。将来，他希望能走向更高的国际舞台，继续从事他热爱的科学研究。

(本文作者是国立科技大学2015级硕士研究生)