找到马约拉纳费米子：或敲开量子计算机世界大门

贾金凤实验室检测结果

我们的记者黄新丰李飞

6月22日，由中国上海交通大学领导的一个团队宣布，他们已经发现了一种基本粒子——玛雅纳费米子，物理学家们在过去80年里一直在努力寻找这种粒子。研究或帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。

这一发现基于超导材料等一系列创新成果，被国内外科学家视为该领域的一个里程碑，为马略纳物理学的研究和后续实验打开了新的窗口。相关结果于6月22日发表在《物理评论快报》上。

揭开神秘粒子的面纱

在物理学中最小的基本粒子世界中，有“两个家族”:费米子家族(如电子和质子)和玻色子家族(如光子和介子)。人们普遍认为每个粒子都有其反粒子。例如，费米子和它的反粒子就像外表相同但脾气相反的双胞胎。一旦它们相遇，它们就会“战斗”，产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。

1937年，意大利物理学家埃托雷·马略纳预言自然界中可能有一种特殊的费米子。这个粒子和它的反粒子有完全相同的外观和脾气。这种费米子被称为“玛雅纳费米子”。粒子物理标准模型中的中微子或潜在的蛋黄酱费米子。但是很难证明。

2016年初，中国科学家终于发现了这种神秘粒子存在的迹象。上海交通大学贾金峰研究小组与浙江大学、张富春研究小组、南京大学李研究小组和美国麻省理工学院傅亮合作，首次观察到拓扑超导体涡旋中存在粒子的重要证据。“事实上，我们发现的马约拉纳费米子不是传统意义上的粒子，而是一个准粒子，但它也符合马约拉纳的预测。”贾金凤说道。

准粒子是描述某一系统中大量粒子集体行为的一种方法，即把传统意义上的粒子集体行为的某些表现形式看作是粒子的行为。这样，可以简化模型，并且可以正确地表达某些特定物理现象背后的机制。

"粒子和准粒子就像运动员和团队."贾金凤打着比喻说:"我们可能不知道队里每个队员的特点和队员之间的配合，但整个队就像一个准粒子，很容易理解。"

拓扑超导性和原子指针

几年前，理论物理学家预测蛋黄酱费米子可能存在于拓扑超导体的涡旋中心。然而，在自然界中还没有发现拓扑超导体。那么，贾金凤的团队是如何让蛋黄酱费米子“现身”的呢？

"理论预言拓扑超导性可以通过将超导材料放置在拓扑绝缘体上来实现."贾金凤说:“这听起来很容易，但这是材料科学领域的一个大问题。此外，由于上面超导材料的覆盖，蛋黄酱费米子很难被探测到。

作为回应，该研究小组在2012年采取了不同的方法，将超导材料置于拓扑绝缘体下，并直接将喜欢捉迷藏的美乃滋费米子从“暗”变成“亮”，为寻找其踪迹奠定了重要的物质基础。

2014年底，一篇理论文章预测了蛋黄酱费米子的磁性。贾金峰敏锐地意识到，自旋极化扫描隧道显微镜可以用来探测梅农纳费明。地球有南极和北极，磁性材料表面的不同位置也有南极和北极他说，“自旋极化扫描隧道显微镜的尖端是有磁性的。它就像一个“原子罗盘”，能够准确探测原子的磁特性，帮助我们找到隐藏在拓扑超导体漩涡中的梅农纳费蒙。”

由于这种粒子的磁性非常弱，研究小组与南京大学合作，利用一个刚刚建成的40毫开放灵敏的低温扫描隧道显微镜系统，对人造拓扑超导薄膜表面的涡旋中心进行了仔细的测量。2015年底，合作小组最终直接观察到了粒子存在的有力证据。"我们已经观察到了由马荣纳费米子引起的独特的自旋极化电流，这是它存在的确凿证据."贾金凤说道。

后来，他们与浙江大学合作进行理论计算和其他工作。2016年初，研究发现理论计算结果完全支持实验结果。通过反复的对比实验，研究人员相信只有梅昂纳费米子能产生这种自旋极化电流现象。至此，蛋黄酱费米子的神秘面纱终于揭开了。

或者高级量子计算

这是科学家第一次观察到玛雅纳费米子的自旋相关性质。它还提供了一种通过相互作用控制费米子存在的有效方法和一种观察神秘的费米子的直接测量方法。

“这个实验结合了最高水平的样品生长和扫描隧道显微镜测量，并在真空室中完成。这是‘前所未有的科学杰作’。”美国科学院院士、麻省理工学院教授李雅达评论道:“这是第一个研究旋涡中马略纳州自旋相关特征的实验。实验数据与理论预期在质量上是一致的，这有力地表明了马略纳态的存在，并为马略纳物理的研究打开了一扇新的窗口。

清华大学副校长薛其昆院士认为，该团队首次国际制备拓扑绝缘体/超导体异质结是材料科学的突破，也使其“在这场竞争中占据战略制高点”。这一研究不仅首次证明了多数粒子模式的存在，而且使其用于拓扑量子计算成为可能。

“这项研究的关键是在非常小的磁场中发现了马荣纳费米子，这表明拓扑绝缘体-超导体异质结是一个非常可靠的材料平台，具有潜在的器件应用前景。”研究合作者傅亮说。

科学家们预计梅恩纳·费米子将是制造量子计算机的最佳选择之一。与以二进制模式处理数据的普通计算机不同，基于量子物理机制的计算机具有惊人的数据处理速度。他们能够准确有效地计算出大量已经合成的新材料，甚至还没有合成的概念材料，给材料科学带来革命性的进步。

然而，量子计算机尚未制造出来的一个重要原因是，目前用于量子计算的粒子的量子态是不稳定的，电磁干扰或物理干扰很容易干扰它们的计算。蛋黄酱费米子的反粒子本身，它的状态非常稳定。贾金峰说，这些属性可能是量子计算机成为现实的关键。

一些科学家还认为，迄今尚未被直接观测到的中性超对称费米子，可能构成了宇宙中大部分或全部暗物质，而这个中性超对称费米子可能是Manyorana费米子。因此，这次对混合物蛋黄酱费米子的观察可能是揭开暗物质之谜的又一步。

《中国科学新闻》(第一版集锦，2016年6月23日)