1928年，物理學家保羅·迪拉克（Paul Dirac）做出了一個驚人的預測：宇宙中的每個基本粒子都有一個與其對應的反粒子——電荷相反的「雙胞胎」。當粒子與反粒子相遇時，它們會湮滅，同時釋放出一股能量。果然，幾年後，第一個反物質——電子的反粒子被發現，反物質迅速成為流行文化的一部分。
但在1937年，另一位物理學家埃託裡·馬約拉納（Ettore Majorana）指出了一個反轉：他預測，在一類被稱為「費米子」的粒子（包括了質子、中子、電子、中微子和夸克）中，應該有一些粒子，自己就是自己的反粒子。
埃託裡·馬約拉納。圖片來源：www-centre-saclay.cea.fr
現在，研究者宣稱，他們已經發現了這些所謂「馬約拉納費米子」存在的第一個堅實證據。它是在加州大學與史丹福大學合作的一系列特殊材料實驗中被發現的。這個實驗團隊由加州大學歐文分校的夏晶教授和洛杉磯分校的王康隆教授領導，而他們的實驗計劃則是由史丹福大學的物理學家張首晟和他的同事提出。他們的論文結果刊登在7月21日的《科學》上。
文章部分作者：左起為何慶林，寇煦豐，張首晟和王康隆。
「我們的團隊準確地預測了馬約拉納費米子的出現地點，還有什麼樣的實驗信號是它存在的鐵證。」理論物理學家，同時也是該論文的作者之一的張首晟說，「這個發現令基礎物理學最熱門的探索之一終於告一段落，而我們為了找到它已經努力了八十年。」
儘管馬約拉納費米子的發現看起來應該是理論意義多於實踐意義的，但張首晟說，它可能對構建穩定的量子計算機有所幫助，當然，這是非常遙遠的以後的事了。
研究團隊觀察到的這一種特定的馬約拉納費米子被稱為「手性」費米子，因為它會沿著某一維路徑移動並且方向固定。研究人員表示，儘管設計、建造和運行能夠產生它的實驗都非常艱難難，但實驗產生的信號卻是清晰無誤的。
「這個研究是多年來尋找手性馬約拉納費米子的最高峰，這將是該領域的一個裡程碑」，斯坦福SLAC國家加速器實驗室下屬物質能源研究所（SIMES）的主任湯姆·德沃羅（Tom Devereaux）說。張首晟是任職於此的一位首席研究員。
「這確實是十分乾淨利落地觀察到了新的東西」，麻省理工學院的理論物理學家和諾獎得主弗朗克·韋爾切克說，他沒有參與這項研究。「這本質上並不令人驚訝，畢竟物理學家很長一段時間都認為馬約拉納費米子能從這樣的材料裡誕生。但是他們把好幾種元素以從未有過的方式結合起來，利用工程手段讓這種新的量子粒子能以乾淨而穩定的方式被觀測到，這是一個真正的裡程碑。」
馬約拉納的預言只針對不帶電荷的費米子，比如中子和中微子。科學家們已經找到了中子的反粒子；至於中微子，有很好的理由認為它的反粒子可能就是它本身。目前有四個實驗正試圖驗證這一論斷——比如新墨西哥州的濃縮氙觀測站（Enriched Xenon Observatory）的最新升級版EXO-200。不過這些實驗難度太大，可能在未來十年內都難以得到結論。
大約十年前，科學家們意識到馬約拉納費米子還可能在材料物理的實驗中製造出來。於是，一場找到這種粒子的「競賽」在學界拉開了帷幕。
他們尋找的，其實是「準粒子」。所謂準粒子是複雜系統的一種物理現象，它雖然不是「真」的粒子，但是其行為就像是一個粒子。在超導材料中，許多電子的集合行為，就能產生出準粒子；這種過程和真空中能量與「虛粒子」相互轉變過程類似，都遵循愛因斯坦著名的E=mc2質能方程。儘管準粒子和自然界中存在的粒子有所不同，但它們也被視為是馬約拉納費米子。
過去的五年中，科學家們用這一手段取得了一定成果。曾有研究者表示，在研究超導納米線材的試驗中觀測到了很可能是馬約拉納費米子的痕跡。
但在之前的實驗中，這些準粒子都是被「束縛」的——它們被困在特定的位置，而不會在時空中傳播；而且人們也很難確認這些痕跡是不是也有其他效應的作用。
在加州大學洛杉磯分校和歐文分校的最新實驗中，研究團隊將兩種量子材料——一種超導體和一種磁拓撲絕緣體——的薄膜堆疊在一起，讓電流從中通過，整個儀器放在低溫真空室裡。
上層薄膜是一種超導體，底層則是一種拓撲絕緣體——電流只會在其表面或邊緣傳導，而不經過其內部。它們在一起形成了一種超導-拓撲絕緣體，電子毫無阻力地沿著材料表面的兩個邊緣流動，如同高速公路上飛馳的汽車。
張首晟的想法是通過添加少量的磁性材料來調整拓撲絕緣體。從而使電子沿著表面兩邊的電子沿著相反的方向流動。
實驗配置的方式。圖片來源：論文原文
然後，研究人員在薄膜堆上掃過一塊磁鐵。這樣可以減慢、停止和切換電子的流動方向。這些變化並不連續，而是一步步地突然發生，就像在樓梯上的一級級臺階一樣。
在這個循環中的某些時刻，馬約拉納費米子就出現了。它們成對地從超導層裡誕生，像電子一樣沿拓撲絕緣體的邊緣流動。研究者令每對粒子中的一個偏離正常路徑，就可以很容易地測量單個準粒子的流動。像電子一樣，準粒子也會隨著磁鐵運動而減慢運動速度、停止或者改變方向，但是它邁出的每一「步」，高度只有電子腳步的一半。
這些「半步」，就是研究人員一直在尋找的鐵證，如同犯罪現場還在冒煙的槍。
史丹福大學物理學教授喬治·格雷塔（Giorgio Gratta）在設計和規劃EXO-200項目上發揮了重要作用。他認為，這些實驗的結果，對確定中微子是否是自己的反粒子的工作不太可能有什麼影響。
格雷塔說：「他們觀察到的準粒子，本質上就是材料中的激發現象，表現得像馬約拉納費米子。但它們不是基本粒子，它們是在特殊準備的人造材料中，以十分人為的方式產生的。它們應該不太可能自發出現在宇宙中，不過話說回來這事兒我們也說了不算。另一方面，中微子在宇宙中無處不在的，如果中微子被證明是馬約拉納費米子，這將表明自然不僅允許了這種物質的存在，而且還將其充滿了整個宇宙。「
他補充說：「這件事更有趣的是，它證明'類比'的思想在物理學研究中非常重要。雖然準粒子和真實粒子是不同的東西和不同的過程，但也許我們可以用一個去理解另一個。也許我們會發現很多更有趣的事情。「
張首晟說，等到遙遠的未來，馬約拉納費米子可以用來製造穩定的量子計算機，不會被環境噪音幹擾——目前這種幹擾是量子計算機的巨大障礙。因為每個馬約拉納費米子本質上就是半個亞原子粒子，所以一個量子比特的信息可以用兩個相距甚遠的馬約拉納費米子存儲，這樣就不太可能有什麼因素同時幹擾它倆、讓它們攜帶的信息丟失。
埃舍爾的作品：天使和惡魔
現在，他給他的團隊發現的這一種手性馬約拉納費米子起了一個名字：「天使粒子」。這個名字指的是2000年的一本驚悚小說《天使與魔鬼》，小說中一個秘密兄弟會計劃用一枚定時炸彈炸毀梵蒂岡，這枚炸彈的破壞力就來自物質-反物質湮滅。但是張首晟說，和小說不同的是，在馬約拉納費米子的量子世界，只有天使，沒有魔鬼。
今天下午，我們和論文的共同第一作者，加州大學洛杉磯分校的潘磊取得了聯繫。他告訴果殼網，這一發現的重要性在於它為拓撲量子計算機的實現指明了道路。拓撲量子計算比普通的量子計算對外在噪聲的抵抗力更強，但是為了實現它，需要對一種滿足特定屬性的粒子進行操縱，而馬約拉納費米子正好具有這種屬性。
此前人們已經知道，中微子有可能是一種馬約拉納費米子。但是中微子幾乎不和任何東西作用，操縱它似乎不太可能，所以研究者試圖在固態物質裡尋找它的準粒子。雖然可以說這些準粒子不是「真正」的馬約拉納費米子，但是對於量子計算而言這沒有關係，只要這個準粒子符合它的性質，就可以用來製造拓撲量子計算機。
潘磊說，雖然此前也有一些實驗認為發現了馬約拉納費米子的跡象，但是那些實驗的驗證手段不夠乾淨，難以徹底排除其他原因的可能性。而他和他的合作者的這一實驗，利用的是馬約拉納費米子的獨特性質，基本可以排除幹擾可能。
這項實驗雖然是由多位華裔科研工作者完成，但潘磊希望媒體不要過度關注作者的國籍，而將報導重心回歸到實驗本身之中。
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ID：Guokr42
果殼整天都在科普些啥啊！
嚇得我二維碼都屈光不正了！
放心，你沒瞎。
為啥這樣的二維碼也能掃？
掃碼發送【二維碼】告訴你原理~