7月20日，張首晟和團隊在《科學》雜誌上發表論文，證實首次發現手性馬拉約納(Majorana)費米子，並命名為「天使粒子」，結束了物理學界整整80年的苦苦追尋。
這一發現震驚了物理學界，張首晟再次被推上了諾獎備選名單。此前，他已經獲得了除諾獎外幾乎所有的物理學科頂級獎項。
作為美國人文和科學院院士、美國藝術與科學院院士、中科院外籍院士和「千人計劃」專家，張首晟在接受廣州日報記者的採訪中表示，獲諾獎的普遍期待並未對他產生壓力，他更關心的是，青年科學家應該保持對自然之美的好奇，以及探索的原動力。
文/廣州日報全媒體記者楊逸男 實習生宋昕航
「科學發現有時是階段性的。可能很長一段時間你都成就平平，但突然就會有個大的跳躍，接著就是一個更大的跳躍。」長期走在理論物理學研究前沿的張首晟，把科研看得很透徹，「天使粒子」的發現，對他意味著一個裡程碑式的跳躍。
發現神秘粒子
要了解這次發現的重大意義不難，張首晟善於用最簡單的語言來解釋科學。
自然界的物質都由基本粒子組成，分為玻色子和費米子。有的粒子擠在一起也不會擦槍走火，被稱為玻色子。而不愛扎堆、各走各路的則是費米子，如支持手機和電腦運作的電子。
1928年，物理學家狄拉克提出宇宙中每個基本粒子都有反粒子。1937年，義大利物理學家馬拉約納進一步地進行理論預測，在費米子中可能存在一種粒子，是自己的反粒子。從此，馬拉約納費米子與磁單極、暗物質、引力子等進入神秘粒子表單，令幾代科學家孜孜以求。而「正反同體」粒子的預言，伴隨著馬拉約納的突然消失更加神秘。
有趣的是，張首晟有次夢見了馬拉約納。「因為天機洩露，他被天使帶走了。」張首晟會心一笑。
在物理學歷史上，諾獎的桂冠多次落在粒子物理研究的重大突破上，中子、正電子、J粒子(丁肇中)、中微子等的發現者均獲得了諾獎。
2010年至2015年，張首晟的理論物理學團隊連續發表了三篇論文，預言了怎樣找到馬拉約納費米子以及哪些實驗信號能夠作為證據。以王康隆、何慶林等為首的華人實驗團隊在隨後的一年裡反覆驗證了近30次後，整個團隊向《科學》雜誌提交了論文初稿，而後又經歷了長達一年的審稿期。
最終發表的論文標題為「在量子反常霍爾絕緣-超導結構中發現手性馬拉約納費米子模式」，即張首晟命名的「天使粒子」。最關鍵的就是張首晟提出的材料和驗證方式。
為科學之美奉獻一生
張首晟1963年出生於上海，從15歲起就開始了物理學的漫漫徵程。
1978年，初中還沒讀完的張首晟在父親的鼓勵下，花了一個暑假看完了17冊的《數理化自學叢書》，然後直接參加大學入學考試。不鳴則已一鳴驚人，他考上了復旦大學物理系，一年後他趕上了國家公派留學機會，進入柏林自由大學，1983年獲學士學位後，張首晟赴美國紐約州立大學石溪分校，拜楊振寧為師，年僅33歲，他就成了史丹福大學的終身教授。
這位旁人眼中的天才說，他的成功是由「激情」「原動力」鋪墊而成的。
在德國留學期間，理論物理學「不好找工作」的前景讓不少年輕的學生們發愁，很多人最後改變了研究方向。那段留學歲月，張首晟來到一片科學家的公墓。墓碑上除了生卒年月，都記載了一個物理學公式，這讓張首晟深為感動。感慨於愛因斯坦發現E=MC2(質能守恆定律)的大道至簡，他決定為科學之美奉獻一生。
烤肉獲得的靈感
研究之初，張首晟也遭遇過研究方向走彎路、申請研究經費被拒、耕耘成果不被接受的常態。「大半生都是不確定的，有時孤獨甚至絕望。」直到2006年，他在理論上預言了拓撲絕緣體，研究成果才為學界廣泛關注。
這正是美劇《生活大爆炸》中謝爾頓博士炫耀的前沿研究。而張首晟發現拓撲絕緣體的靈感過程卻是在一次聚會烤肉中得來的。
「吱吱的聲音炸響，烤肉的最高境界是外熟裡生。 我一下子想到，有種材料是裡面絕緣，外面導電的。」長期觀察生活和自然的習慣為他帶來了「阿基米德時刻」。
此前，人們認為物質只有導體和絕緣體之分，拓撲絕緣體成了第三類物質，張首晟的預言，一年後即被實驗證實。
順著拓撲絕緣體的深入研究，張首晟又發現了量子自旋霍爾效應：晶片中雜亂無序運動的電子可以在一定條件下實現規則運動，就像在高速公路上各行其道，從而使能量耗散很低。最常見的實際應用，就是解決手機和電腦的發熱問題。
不久，他又和中國國內研究團隊在錫烯研究上取得了重大突破，這或可取代電子元件常用的晶矽和石墨烯。張首晟笑著說，「以後矽谷可能就要改名為錫谷了。」
他也因此獲得了物理學界三大最高獎項——2010年的歐洲物理學獎、2012年的巴萊克獎和狄拉克獎。
「天使粒子」的發現，就建立在張首晟之前的這些重要研究上。它由張首晟提出並由實驗組驗證，存在於磁性拓撲絕緣體薄膜(量子反常霍爾效應薄膜)與超導體組成的混合系統中。這一發現的最大應用，就是「前途無量」的量子計算機。
赤子丹心
對於「天使粒子」的發現，張首晟說：「要感謝祖國現在的強大。四個實驗室有三個是大陸背景。我們經常有交流的機會，所以促成了這次合作的可能。」
張首晟很重視華人青年科學家的交流。1999年，受楊振寧邀約，張首晟成為清華大學特聘教授。2009年，他正式加入「千人計劃」。常年往返中美兩地承擔科教，他在斯坦福帶的很多學生都來自清華、北大。
為促進中美之間科技成果的共同孵化，他成立了風險投資公司，取名「丹華資本」。「丹」一語雙關，既代表「赤子丹心」，也指斯坦福(又譯史丹福)；「華」則明指中華。
對自己的兩個孩子，張首晟並沒有刻意引導他們往物理學方向發展，而會培養他們的好奇心。兒子張晨波曾獲國際物理奧林匹克金牌，現已從哈佛大學畢業，女兒如今也進入了史丹福大學。張首晟寄望，中國的青年科學家，當志存高遠。
在收到僅存的牛頓《自然哲學的數學原理》英文原版時，張首晟曾寫下這樣一段話：「既然無法抵擋她萬有的吸引，為何不遨遊星際而時時相伴？既然為量子因果而糾纏綿綿，為何不心心相印寄在水一方？既然追不上她永恆不變的步伐，為何不對鏡賞花以光傳因緣……」
對話：「天使粒子」將造福人類
廣州日報：馬拉約納費米子前人也有實驗。你的團隊在研究中有何創新？
張首晟：以前的實驗得到的並不是一個粒子，和我們不同。另外，我們做了非常好的實驗設置。不需要把參數調到恰到好處才能發現這個現象，這個非常難。我們的實驗預言是，磁性拓撲絕緣體薄膜與超導體混合系統做出來之後，不需要調太多的參數，馬拉約納費米子自然而然就會出來。還有，我們給出了一個非常精準的平臺，也就是半整數電阻的量子平臺。這非常重要。
最難是找到合適材料
廣州日報：實驗研究中遇到的最大困難在哪裡？
張首晟：我帶領的是理論組，給實驗科學家提供建議。整個工作都比較順利。
最大的困難是材料難找。整個實驗組前後共篩選了近4000種材料。我提出的磁性拓撲絕緣體和超導體，兩個單獨找沒什麼問題，但是疊加放在一起不容易，兩個材料會互相影響。實驗團隊花了幾個月才成功。
廣州日報：研究發現「天使粒子」的過程中？
張首晟：我們共發表了4篇文章，前兩篇非常重要，尤其是第一篇就建立了這個實驗的基礎，運用量子材料。這是我和我們組的學生一起討論產生的想法。第二篇是講具體的實驗數據是什麼，我記得也是在幾次會議後我和學生們討論出來的。我們是一步步介紹實驗該怎麼做。
未來將應用於量子計算機
廣州日報：你非常擅長用類比來解釋一些科學問題。能否用最簡單的語言解釋一下此次科學發現？
張首晟：一個粒子等於自己的反粒子，翻譯成數學公式，就是相當於1=-1。 我們把-1移到左邊，也就是證明2=0。這個可不可能呢？
在凝聚態物理中，有個超導現象，電子是成對的，成對之後進入量子的基態裡。電子是一對，跑到基態，基態是能量最低級的量子態，相當於0 ，在某種意義上就是證明2=0的概念。
在以往的量子反常霍爾效應實驗中，調節外磁場，量子反常霍爾效應薄膜呈現量子平臺，對應1、0、-1倍基本電阻單位。當把超導體置於量子反常霍爾效應薄膜上時，鄰近效應會出現新的量子平臺，對應1/2倍基本電阻單位。這半個電阻單位來源於馬拉約納費米子沒有反粒子，某種意義上就可以視為半個傳統粒子。這多出來的半整數量子平臺就是發現的有力證據。
未來它的主要應用是量子計算機，但過程會非常漫長。
對大自然好奇最重要
廣州日報：楊振寧認為你「獲諾獎只是時間問題」，你有何感想？
張首晟：工作需要好奇心驅動，這些(名利)不要想太多。導師的話對我沒什麼壓力。獲得諾貝爾物理學獎的人不多，每年也就是三四個吧。
獲獎不是一個壓力問題。現在有個現象，每個重大的發現出來，人們總是問兩個問題，這個發現有用嗎？這個東西能不能得諾獎？我覺得不應該只看到這兩方面，還要更深刻地看到科學發現本身的重要性在哪。每一次發現都告訴我們，大自然的每一個組成部分都很重要。
廣州日報：此次發現基本由華人科學家團隊完成，你隨後也在北京宣布了這個發現。如何看待華人科學家的傳承精神？
張首晟：我們團隊有一個發布日期。首先是在斯坦福發布，然後在北京。這次發現是理論和實驗團隊合作的巨大成功。團隊成員在美國工作，但都是華人科學家，大家都緊密合作、互相鼓勵。
廣州日報：你每年往返中美兩地做教研和科研合作，對中國的青年科學家有什麼期待？
張首晟：這個是我最想講的。大家做科學研究，最大的動力應該是對大自然的好奇心。結合整個量子物理學的發展來看，最開始我們發現大自然有正有反，有陰有陽。然後有科學家就認為基本粒子也應該是這樣的，後來就發現了反粒子。又有科學家想到有沒有自身就是反粒子的。他們對這些問題都非常好奇。他們一開始都沒想諾獎，對大自然好奇的驅動力，是科學家最原始的動力。
來源：廣州日報