「天使粒子」馬約拉納,80年苦尋,中國科學家終於抓住它的尾巴

1928 年，狄拉克提出了著名的狄拉克方程，狄拉克方程不僅能夠計算氫原子光譜的精細結構，還可以自動產生電子的自旋量子數，並且狄拉克方程為了解釋負能態，還提出了狄拉克之海。

因為狄拉克方程可解出自由電子的負能態，按能量最低原理，物質世界的電子都應躍遷到負能級上，由於電子是費米子，滿足泡利不相容原理，每一個狀態最多只能容納一個電子，物理上的真空狀態實際上是所有負能態都已填滿電子，同時正能態中沒有電子的狀態。因為這時任何一個電子都不可能找到能量更低的還沒有填入電子的能量狀態，也就不可能跳到更低的能量狀態而釋放出能量，也就是說不能輸出任何信號，這正是真空所具有的物理性質。物質世界就像是浸沒在負能級電子的海洋中，這就是狄拉克之海。

按照這個理論，如果把一個電子從某一個負能狀態激發到一個正能狀態上去，需要從外界輸入至少兩倍於電子靜止能量的能量。這表現為可以看到一個正能狀態的電子和一個負能狀態的空穴。這個正能狀態的電子帶電荷-e，所具有的能量相當於或大於一個電子的靜止能量。按照電荷守恆定律和能量守恆定律的要求，這個負能狀態的空穴應該表現為一個帶電荷為+e的粒子，這個粒子所具有的能量應當相當於或大於一個電子的靜止能量。這個粒子的運動行為是一個帶正電荷的「電子」，即正電子。狄拉克方程預言了正電子的存在。狄拉克之海也是對正電子存在的描述。

狄拉克之海

科學家認為，這個宇宙起初是由無數物質(電子)和反物質(正電子)構成的，物質和反物質的湮滅產生的無數的正負電子對就是所謂的迪拉克之海，也就是構成這個世界的基礎。宇宙中物質多過反物質，所以未湮滅的物質構成了我們現在生活的這個世界。儘管這些粒子是不可觀察的，但它們決不是虛幻的，如果用足夠的能量就可以形成，哪裡有物質，哪裡就有迪拉克之海，想像觀察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。

簡而言之，在物理學領域，構成物質的最小、最基本的單位被稱為「基本粒子」。它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質，也是組成各種各樣物體的基礎。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子，分別以美國物理學家費米和印度物理學家玻色的名字命名。

狄拉克方程做出了一個偉大的預言：宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應的反粒子。根據愛因斯坦E = mc2的質能公式，當一個費米子遇上它的反粒子，它們會相互湮滅，從而使兩個粒子的質量消失並轉化為能量。

1930 年，年僅 28 歲趙忠堯在人類史上第一次從實驗上看到了正負電子對產生和湮滅的過程，而這是世界上最早發現的正電子存在的證據，可惜後來身為趙忠堯好朋友的安德森借鑑了趙忠堯的實驗原理，在 1932 年也發現了正電子，由此獲得了 1936 年諾貝爾獎。

正電子的被發現更加證明了狄拉克方程的正確性，從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。

這個時候，科學家提出了一個疑問：

會不會存在一種粒子，是正反同體的呢？

1937年，義大利理論物理學家埃託雷·馬約拉納就在他的論文中猜測有這樣的粒子存在，馬約拉納在物理史上是一個謎一樣存在的人物，也是物理史上最牛的計算天才，甚至超越了費米。

費米的計算能力甚至可以和瞎了的歐拉相提並論，當奧本海默爆炸原子彈的時候，他就站在很遠之外，手裡拿張紙，撕成碎紙片。原子彈的衝擊波來了，他把紙一扔，然後根據紙片被捲走的高度、速度和距離計算釋放的能量值。衝擊波走了，他就算出來了，而且和精密儀器測試的結果不相上下……

然而藉助紙筆的費米在和只靠腦子的馬約拉納PK計算能力的時候，居然打成了平手，所以費米認為馬約拉納以後一定能比肩牛頓伽利略。馬拉度納在 1937 年發表了人生最後一篇文章，隨後神秘失蹤，因為他的傳奇經歷，他多次成為科幻小說或電影的主角，甚至還有關於他的科幻連環畫集。

在這人生最後的一篇論文裡，馬約拉納預言了一種可能的自然界組成的基本單元，這是一種中性無任何（電）荷的、滿足相對論量子力學、自旋1/2的粒子，可以看作是狄拉克粒子（除中微子外，標準模型中的所有費米子都是狄拉克費米子）的一半。這種粒子就被稱為馬約拉納粒子。

要知道，玻色子的自旋（類似於陀螺繞自身的旋轉）都是一個基本單位（h-bar）的整數倍。如2012年發現的「希格斯」粒子自旋為零，而光的基本單元「光子」自旋為1，引力波的基本單元「引力子」自旋為2，他們都是「玻色子」。

而費米子的自旋是這個基本單位的半整數倍，如電子與中微子的自旋都是1/2。基本粒子也都有相應的反粒子。電子的反粒子是正電子，而光子的反粒子卻是它本身。

但是馬約拉納卻稱有這樣一種正反同體的粒子存在，證明這種粒子的確切存在，對我們了解大自然的最終奧秘可能是一把關鍵的鑰匙。因此，實驗上找到基本的馬約拉納粒子成為當今人類最重要的基礎科學問題之一，入選《科學》雜誌在本世紀初列出的人類現階段最重要的125個科學問題 。

自此以後，尋找這一神奇粒子成為了物理學家門夢寐以求的探索目標。

然而在後來的實驗中，科學家卻發現，費米子都帶有某種「荷」把粒子與反粒子區分開來，比如正反電子的 「電荷」 是相反的。

雖然中子沒有電荷,但是中子有自旋和磁矩,而且構成中子的夸克是有電荷的,所以中子是有反粒子的，稱為 「反中子」。

1954年，在加利福尼亞大學的勞倫斯輻射實驗室，建成了64億電子伏的質子同步穩相加速器，為尋找反粒子（反質子是質子的反粒子，其質量及自旋與質子相同，且壽命也與質子相當，但電荷及磁矩則與質子相反，帶有與電子相同的負電荷。與質子相遇時會湮滅，轉化為能量）創造了條件。

1955年，張伯倫和塞格雷用上述加速器證實了前一年人們所觀測的反質子的存在。由於反質子出現的機會極少，大約每1000億高能質子的碰撞，才能產生數量很少的反質子，因而證實反質子的存在極為困難。1955年他們這個實驗小組測到60個反質子，才總算得到了比較可信的數據。

1956年他們又在美國加州伯克利實驗室發現了反中子，儘管高能粒子打靶時也能產生反中子，但是由於反中子不帶電，更難從其他粒子中鑑別出來。他們是利用反質子與原子核碰撞，反質子把自己的負電荷交給質子，或由質子處取得正電荷，這樣，質子變成了中子，而反質子則變成了反中子。

反中子的發現似乎給馬約拉納粒子下了判決書，這種中性的、粒子與反粒子不可分辨的費米子，在現實世界裡並不存在。

當然科學家們還不死心，他們還想通過驗證無中微子的雙β衰變實驗來證明馬約拉納粒子的存在，也就是說在粒子物理中，標準模型範疇之外的中微子可能是馬約拉納粒子。

β衰變

雙β衰變是原子核的一種稀有衰變模式。這一過程中原子核中的一對中子轉變為一對質子（或者相反的轉變），同時從原子核中釋放出一對電子（或一對正電子）和一對反中微子（或者一對中微子）。

溫德爾·弗裡於1939年提出若中微子為馬約拉納粒子的話，則雙β衰變能夠在不射出任何中微子的情況下進行，這個過程現在被稱為無中微子雙β衰變。

也就是說正常的雙β衰變產生兩個反中微子（左圖）。但如果中微子是馬約拉納粒子，它有可能不在衰變產物中出現，這就是科學家們努力尋找的「無中微子的雙β衰變實驗」。

然而這個實驗的難度極高，這項實驗所要求的精度即使再過 10 年都很難達到。最早在實驗室成功觀測到雙β衰變的是加州大學爾灣分校麥可·莫伊的團隊，他們於1987年到硒-82的這個過程。自此以後，不少實驗都成功觀測到其他同位素的尋常雙β衰變。但上述實驗中沒有一個能為無中微子過程提供正面的結果。

就這樣兜兜轉轉 80 年，科學家對於證實馬約拉納粒子存在的研究還是處於原地踏步階段，直到清華大學薛其坤的一項重大成果讓馬約拉納粒子的研究出現了突破口。那就是薛其坤發現的量子反常霍爾效應。

我們先來了解一下什麼是量子霍爾效應，我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下晶片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上「一往無前」地前進。

然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，「相當於外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和可攜式計算機。」而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

早在2008年，張首晟理論就預言了量子反常霍爾效應，最終被薛其坤證實。

薛其坤團隊經過近4年的研究，生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。這是首次在實驗上發現量子反常霍爾效應。這項成果具有極為重大的意義，在未來電子器件中發揮特殊的作用，可用於製備低能耗的高速電子器件，將推動新一代低能耗電晶體和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命進程。憑藉這項發現薛其坤獲得了2018年度國家自然科學獎項中唯一的一等獎。

在薛其坤發現了量子反常霍爾效應之後，張首晟敏銳地發現了量子反常霍爾效應與馬約拉納粒子存在關聯，他把突破口轉向凝聚態物理。因為在量子反常霍爾效應實驗中，隨著調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平臺，對應著1、0、-1倍基本電阻單位e2/ h。也就是說，量子世界裡的電阻是量子化的，它只能整數倍地跳臺階。

張首晟

這給了張首晟一個靈感：馬約拉納粒子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整數跳，馬約拉納粒子或許就是按半整數跳——它一定會呈現出一個奇特的「1/2臺階」。

由此從2010年到2015年，張首晟團隊連續發表三篇論文，他們預言，馬約拉納粒子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近效應使之能夠實現手性馬約拉納粒子，相應的實驗中會多出全新的量子平臺，對應 1/2 倍基本電阻單位 e2/ h。

張首晟是少年天才，他沒有念過高中，就直接進入了復旦大學學習，後來師從楊振寧，他發現的「量子自旋霍爾效應」被《科學》雜誌評為當年的「全球十大重要科學突破」之一。基於他對拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應的開創性研究，張首晟已包攬物理界所有重量級獎項，包括歐洲物理獎、美國物理學會巴克萊獎、國際理論物理學中心狄拉克獎、尤裡基礎物理學獎和富蘭克林獎章。被譽為已經提前鎖定諾貝爾獎的物理學家，卻不明不白地在 2018 年去世，享年 55 歲。

這個時候加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆課題組和美國史丹福大學教授張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等多個團隊進行了聯手。

1987年出生的寇煦豐在上海科技大學任教，主要研究領域包括新型半導體電子材料研究以及相應微納電子/自旋電子器件應用。原香港科技大學工程學院院長王康隆在納米電子學、自旋電子學、以及拓撲量子計算等領域做出了傑出的貢獻，是Si/Ge應變場效應管、量子SRAM、能帶準直超晶格結構的發明人。同為 80 後的何慶林也是一個年輕的小夥子，當時只有30歲左右，主要研究馬約拉納費米子為基礎的量子計算和新型拓撲磁電材料等方向。

何慶林、王康隆、潘磊

之所以會有這個提議，是因為王康隆教授有一個非常大的優勢是擁有世界上一流的量子反常霍爾效應材料。而這一材料是實驗成敗的關鍵因素。而何慶林博士研究生的時候就對超導體、拓撲絕緣體進行了研究，比較熟悉。

經歷過 3000 多樣品失敗， 3000次重來王康隆等實驗團隊確實看到了「1/2的臺階」。這半個基本電阻來源於馬約拉納粒子作為半個傳統粒子的特殊性質，因此，多出來的半整數量子平臺為手性馬約拉納粒子的存在提供了有力的印證。

何慶林、王康隆實驗團隊和夏晶實驗團隊在與張首晟理論團隊合作下所測量到的與理論預測符合的半量子電導平臺，這為馬約拉納粒子的發現提供了直接而有力的實驗證據。

學術期刊《科學》在線發表四位華人科學家領銜的科研團隊的最新研究成果《量子反常霍爾效應絕緣體-超導體結構中的手性馬約拉納費米子模》，這讓我們距離徹底揭開馬約拉納粒子的神秘面紗又近了一步。

但是，科學家還沒有真正地捕捉到馬約拉納粒子，只是發現了符合馬約拉納費米子性質的激發態，但是意義也非常重大，充分證實了這種馬約拉納準費米子的存在。以及在量子信息學等應用領域具有重要的現實意義，可以說萬裡長徵才開始了第一步，希望未來有一天，科學家能夠真正把馬約拉納粒子俘獲！