隐藏80年的“马约拉纳粒子” 为何现身上海

2016年07月14日   来源：  科技日报

贾金锋教授在实验室

　　艺术家想象中的马约拉纳零能模

　　其他研究团队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。而上海交通大学贾金锋团队不仅研究能量为零，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，因而研究结论更有说服力。

　　6月22日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了上海交通大学贾金锋团队的研究报告，通过独特的材料学方法和探测仪器，贾金锋团队观察到了马约拉纳费米子存在的直接证据——自旋极化电流现象，这是物理学家在1937年做出预言后，实验室里头一次确凿地证实了存在马约拉纳粒子。

　　马约拉纳丢了，他的粒子也没踪影

　　1937年，马约拉纳想到，如果是电中性的粒子，反粒子不就是它自己吗？马约拉纳改写了狄拉克方程，增加了这种中性粒子。

　　意大利理论物理学家埃雷托·马约拉纳预言说，肯定有一种粒子，它和它的反粒子是一样的。“马约拉纳粒子”的概念诞生了，它给物理世界增加了很多可能性。

　　1927年，大学者狄拉克就提出了反粒子的方程。狄拉克说，反粒子是一个跟正粒子模样雷同，却带着相反电荷的玩意儿。比如，电子（带负电荷）的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子，中子对应的是反中子（以上都属于“费米子”这个大家族）。只要粒子和反粒子一碰上……“bang！”，俩人同归于尽，发出一道光。

　　几年后，狄拉克的理论被实验证实。1937年，马约拉纳想到，如果是电中性的粒子，反粒子不就是它自己吗？马约拉纳改写了狄拉克方程，增加了这种中性粒子。他还认为中微子可能就属于这一类。

　　因为宇宙中的正反粒子总是对应的，而且撞上就一起完蛋，所以物理学家奇怪为什么宇宙中会余出来好多东西。而马约拉纳想到的这种粒子是愿意和平共处的，所以我们不禁想到：说不定宇宙里大多数物质都是马约拉纳粒子组成的呢！

　　可怜的马约拉纳在1938年，也就是他32岁时候莫名其妙地失踪了。后来，粉丝们在回忆这位神人时意识到，他研究物理的短短五年，在许多重大题目上都有闪亮的直觉，提出了不少创意。于是今天还有不少科幻小说或电影以马约拉纳为主角；他还登上了科幻连环画册，连环画里，马约拉纳是被外星人给接走了。

　　有人在金属丝上找“马约拉纳粒子”

　　其他研究团队观测主要是基于其能量为零这一特点，而能量为零并不能完全证明马约拉纳费米子存在，这也是为何很多研究团队的结论饱受争议。

　　各种基本粒子中并没有马约拉纳费米子，而中微子是不是马约拉纳费米子，我们也不清楚。要找马约拉纳费米子，大家想到去凝聚态物理找。而在贾金锋领导的科研团队宣布发现马约拉纳粒子前，美国和荷兰的两个团组都曾经声称发现了。

　　比如荷兰的考文霍夫团队用一根特殊的金属纳米线连接超导体电路，再暴露于磁场。测量纳米线的导电率，结果是在电压为零时，导电率出现了一个峰值，科学家猜测，纳米线同超导体接触区域的两端各有一个马约拉纳粒子。他们改变磁场方位，检查峰值的到来和离开，与马约拉纳粒子出现预计的情况一样。

　　而普林斯顿大学研究者则用一根长铁丝接触极冷的铅，在超导态下探测到了铁丝两端的中性信号，认为这就是马约拉纳粒子。

　　但以上结果却被权威质疑。贾金锋说，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。而能量为零并不能完全证明马约拉纳费米子存在，这也是为何很多研究团队的结论饱受争议。贾金锋团队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因素影响，是粒子本身的性质，因而研究结论有说服力。

　　对于贾金锋团队的实验，PRL的审稿人及来自麻省理工学院的专家帕特里克·李和傅亮都表示，该结果是目前最令人信服的证据。

　　超导体搁上边不行？那就反过来

　　上海交大的团队反过来探索，把超导材料放在下面，上面“生长”出拓扑绝缘体薄膜，这样巧妙的设计为寻找马约拉纳费米子奠定了材料基础。

　　“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。”贾金锋说，“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，由于在上方超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被探测到。”

　　若干次实验后，上海交大的团队反过来探索，把超导材料放在下面，上面“生长”出拓扑绝缘体薄膜，好让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，这样巧妙的设计为寻找马约拉纳费米子奠定了材料基础。

　　贾金锋说，把材料生长最好的设备和表征能力最强的仪器相结合是一大创新，“薛其坤院士团队和我们交大团队在薄膜生长的精确控制方面早已是世界领先。正因为如此，我们才有能力去研究这个项目。”

　　另外一个创新，贾金锋说是“首次用最简单的办法创造出这个自然界没有的拓扑超导体来，这个拓扑超导体为我们提供了独一无二的材料体系，使得我们能够用各种先进的技术办法对普通超导体和拓扑超导体进行观察、研究，比较，寻找差异，从而找到马约拉纳费米子的各种迹象。”

　　“马约拉纳粒子”：量子计算机的合适单元

　　马约拉纳费米子呈电中性，很少与环境相互作用，这些属性使它成为一种理想的量子信息编码载体。

　　马约拉纳费米子受人关注的一大原因，是因为它是制造量子计算机的完美选择之一。

　　普通计算机内的信息被存储在“位”内，每一位都被编码成0或1；量子计算机内的信息位可同时以0和1存在，但这种叠加状态非常脆弱。为此，物理学家们一直在寻找使量子位更稳定的方法。马约拉纳费米子呈电中性，很少与环境相互作用，这些属性使它成为一种理想的量子信息编码载体。

　　而另一方面，人们不会因为凝聚态物理中的成功而停止寻找宇宙中的马约拉纳粒子。准确地讲，超导体中探测出的马约拉纳粒子是一种准粒子。贾金锋说，那实际是一个粒子群体，好比一支风格统一的足球队。

　　而宇宙学家寻找的马约拉纳粒子，是“中性超对称费米子”，你可以把它理解为一种大号的中微子，许多人认为它可能就是宇宙中看不见摸不着却有质量的暗物质。中国未来建立的中微子侦测大型设备，或许能为搞清这一点做出贡献。