張首晟團隊發現號稱「天使粒子」的馬約拉納費米子

張首晟

鳳凰科技訊 北京時間7月21日消息，美國史丹福大學物理學教授張首晟及其團隊今天凌晨在《科學》雜誌上發表了一項重大發現：在歷經80年的探索之後，他們終於發現了「馬約拉納費米子」（Majorana fermion）的存在。

改變世界基礎物理

1928年，英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）做出了一項驚人預測，即宇宙中每個基本的粒子必然有相對應的反粒子。當粒子和反粒子相撞時，它們會相互湮滅，進而釋放出能量。果不其然，幾年後科學家發現了第一個反物質粒子（即電子的反粒子正電子），反物質很快就成了流行文化的一部分。

但在1937年，另一位著名物理學家埃託雷·馬約拉納（Ettore Majorana）提出了一個新的理論：他預測在一個名為費米子（包括質子、中子、電子、中微子和夸克）的粒子類別中，應該存在一類自身沒有反粒子的粒子。

一個包括史丹福大學科學家在內的研究小組如今表示，他們已經發現了馬約拉納費米子存在的確鑿證據。史丹福大學與加州大學聯手在實驗室對奇特的物質進行了一系列實驗，最終獲得了這一發現。

這一研究小組由加州大學歐文分校副教授夏晶和加州大學洛杉磯分校教授王康隆領導，他們根據史丹福大學物理學教授張首晟及其同事提議的計劃實施了這項研究。該小組在7月20日出版的《科學》雜誌上發表了他們的研究成果。

作為著名理論物理學家、這篇研究論文的高級作者之一，張首晟表示：「我們的團隊準確地預測了找到馬約拉納費米子的地方，以及尋找哪些東西作為這種粒子存在的確鑿證據。這一發現終結了基礎物理學領域最全面的科學探尋之一，而這種探尋跨越了80年。」

張首晟還表示，對馬約拉納費米子的尋找更多是出於知識層面的考慮，但這種探索對開發性能可靠的量子計算機具有現實意義，儘管這種未來距離我們還十分遙遠。

張首晟研究團隊觀察到一種被稱為「手性」費米子的特殊馬約拉納費米子，因為它僅沿著一個方向的一維通路移動。研究人員表示，儘管產生「手性」馬約拉納費米子的實驗非常難以設計和實施，但它們產生的信號是準確無誤的。

斯坦福線性加速器中心（SLAC）下屬國家加速器實驗室材料與能源科學研究所（SIMES）主任湯姆·德沃勒烏克斯（Tom Devereaux）表示：「這項研究標誌著對手性馬約拉納費米子的多年探尋達到了高潮。」張首晟是SLAC國家加速器實驗室的首席研究人員。

張首晟團隊提出的搜尋手性馬約拉納費米子的實驗平臺

麻省理工學院理論物理學家、諾貝爾獎得主弗蘭克·威爾茨克（Frank Wilczek）表示：「這似乎是對全新事物的清晰觀察」，他沒有參與這項研究。「這一點兒都不奇怪，因為物理學家已經思考很長一段時間了，即馬約拉納費米子可能存在於這項實驗使用的材料中。但是，他們把以前從未被放在一起的幾個元素結合了起來，以這種清晰且可靠的方式來觀察這種新型量子粒子，稱得上是真正的裡程碑。」

尋找「準粒子」

馬約拉納的預測僅適用於不含電荷的費米子，如中子和中微子。科學家已經發現了中子的反粒子，但他們有充分的理由相信中微子可能就是自己的反粒子，目前還有四個實驗正在進行中，包括在美國新墨西哥州濃縮氙觀測站（Enriched Xenon Observatory）實施的EXO-200項目。但是，這些實驗的難度非常大，估計十年內都不會有答案。

大約10年前，科學家意識到在探索材料物理學的一些實驗中，也可能會產生馬約拉納費米子，於是一場尋找馬約拉納費米子的競賽開始了。他們一直在尋找的是「準粒子」——由超導材料中電子的集體行為產生的粒子式激發，其以100%的效率傳導電力。

根據愛因斯坦著名的E = mc2方程式，產生這些準粒子的過程類似於能量在真空中變成短命「虛擬」粒子並再次變回能量的方式。雖然準粒子不像自然界中發現的粒子，但它們仍然被認為是真正的馬約拉納費米子。

在過去五年裡，科學家通過這種方法取得了一些成功，並且報告說他們在涉及超導納米線的實驗中看到了馬約拉納費米子籤名。但張首晟表示，在這些情況下，準粒子遭到「束縛」——被固定在一個特定的地方，而不是在空間和時間上傳播，因此很難判斷其他作用產生的影響是不是研究人員看到的信號。

發現確鑿證據

在加州大學洛杉磯分校和加州大學歐文分校的最新實驗中，研究小組將兩個量子材料（超導體和磁拓撲絕緣體）的薄膜堆疊在一起，並將電流通過它們全部導入冷藏真空室。

最上面的薄膜是超導體，底部則是一種拓撲絕緣體，它僅沿著表面或邊緣傳導電流，而不是通過中間。將它們放在一起，就形成了一種超導拓撲絕緣體，電子沿著沒有阻力的材料表面的兩個邊緣活動，就好比高速公路上的汽車。

張首晟的想法是通過添加少量磁性材料來調整拓撲絕緣體。這使得電子沿著表面的一個邊緣單向流動，然後再沿著相反的邊緣反向流動。然後，研究人員在堆疊的薄膜上掃過一塊磁鐵。這使得電子的流動變慢，停止並改變方向。這些變化並不穩定，但發生在陡峭的臺階上，就像是樓梯上的相同臺階一樣。

在這種循環的某些階段，馬約拉納準粒子出現了——成對出現在超導層之外，像電子一樣沿著拓撲絕緣體的邊緣傳播。每對準粒子中都有一個成員偏離軌道，使得研究人員可以輕鬆測量單個準粒子的流動。像電子一樣，它們的速度突然減慢，停止並改變了方向。這些恰恰是研究人員一直在尋找的確鑿證據。

史丹福大學物理學教授希奧爾希奧·格雷塔（Giorgio Gratta）曾在設計和規劃EXO-200方面發揮了重要作用，他表示這些實驗結果不太可能對確定中微子是否是其自身反粒子的努力產生影響。

格雷塔說：「他們觀察到的準粒子基本上是在一種表現為馬約拉納粒子的材料中的激發。但是它們不是基本粒子，而是以人造的方式在一個專門準備的材料中製造出來的。這種情況不可能發生在宇宙中。另一方面，中微子無處不在，如果它們被發現是馬約拉納粒子，我們將會用行動證明，大自然不僅使得這種粒子成為可能，而且已經用它們填滿了宇宙。」

他補充說：「更令人感興趣的是，物理學中的類比已經證明是非常強大的證據，即使它們是非常不同的東西、非常不同的過程，也許我們可以用其中一個來理解另一個，我們可能會發現一些我們也覺得有趣的東西。」

「天使粒子」

張首晟，將來馬約拉納費米子可以用來構建功能強大的量子計算機，而這些量子計算機沒有被環境噪聲所淹沒。由於每個馬約拉納費米子基本上只相當於亞原子粒子的一半，所以一個量子位的信息量可以存儲在兩個獨立的馬約拉納費米子中，進而減少了一些可能擾亂它們的機會，同時也使得它們丟失了自身所攜帶的信息。

張首晟暫時參考2000年暢銷書《天使與魔鬼》（Angels and Demons）的內容，將其團隊發現的手性馬約拉納費米子命名為「天使粒子」（angel particle）。在這部暢銷書中，一個秘密組織計劃用定時炸彈炸毀梵蒂岡，而這顆炸彈的威力來自於物質與反物質湮滅產生的反應。張首晟指出，與書中情節不同的是，在馬約拉納費米子的「量子世界」中，只有天使，沒有魔鬼。（編譯/清辰）

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