我們花好幾年時間,才知道馬約拉納費米子長什麼樣

　　來源：SELF格致論道講壇

　　什麼是馬約拉納費米子？馬約拉納費米子有多麼重要？找到馬約拉納費米子以後對我們將來的生活有什麼樣的影響？在SELF講壇上，賈金鋒教授分享了他和他的團隊尋找馬約拉納費米子的經歷，也傳遞了科學家的不懈的探索和創新精神。

　　賈金鋒

　　上海交通大學教授

　　國家傑出青年基金獲得者

　　國家教育部「長江學者獎勵計劃」特聘教授

　　以下內容為賈金鋒演講實錄：

　　大家好，我的名字叫賈金鋒，我今天做的報告題目叫尋找馬約拉納費米子。大家看到這個題目以後可能一大堆問題，首先什麼是馬約拉納費米子？

　　我就從這個問題開始講起，要了解馬約拉納費米子，首先我們得講一下什麼是費米子。講了什麼是費米子，大家還是不明白，大家理解到的子，可能最多的就是原子、分子，其實了解了原子、分子已經很好了，大家知道我們這個物質世界就是由這些原子、分子組成的。

　　原子分子其實是能夠保持物質性質最小的基本單元，如果把原子分子再往下分，就會分出很多個叫做基本粒子的東西。它們比原子分子更小的、組成我們物質世界的單元，我們叫做基本粒子。

　　這麼多的基本粒子要怎麼研究呢？一位天才的科學家叫做狄拉克，他把基本粒子分成兩類，一類叫費米子，一類叫玻色子。玻色和費米，他們兩位都是非常偉大的科學家，為了紀念他們，所以用他們的名字命名了這兩類基本粒子。

　　狄拉克還預言，這些基本粒子還存在反粒子，每一種基本粒子都存在一種反粒子。比如說電子是一種費米子，我們用的電就是由電子產生的，它的反粒子就是正電子。所以到目前我們知道了什麼是費米子，什麼是玻色子，每種粒子會有反粒子。

　　在這之後，又出來了一位更偉大的科學家，他叫馬約拉納，這是一位非常天才的科學家，這個天才不是我說的，是跟他一起工作的費米說的，費米就是剛才費米子的費米。費米本身就是一個非常天才的科學家，他很少誇別人是天才，但是他誇馬約拉納是一個天才，可想而知馬約拉納的多麼天才了。

　　馬約拉納做了這麼一個預想，在狄拉克方程的基礎上，他預想有可能粒子和它的反粒子是一模一樣的，就是存在這麼一種粒子，正反粒子是同樣的一種粒子，這個預想中的粒子被稱為馬約拉納費米子。

　　現在大家清楚了吧，什麼是馬約拉納費米子，首先要知道清楚什麼是費米子，然後費米子都有反粒子，然後反粒子和自己一樣了，那就是馬約拉納費米子。

　　為什麼要找馬約拉納費米子？馬約拉納費米子它有什麼好的地方？為什麼大家都要去找它？

　　這個要從兩方面來講，一方面從理論上來講，馬約拉納做了這樣一個預言，不僅因為他是一個天才的科學家，而且這個預言本身就很重要，如果你找到了就證明了他這個理論。另外在這個理論之後又出來了很多理論，比如我們常聽說的一個暗物質。暗物質出來以後，有理論預言暗物質的備選粒子也是馬約拉納費米子，所以如果能夠找到馬約拉納費米子，也將有助於人們理解暗物質。

　　更重要的是，找到馬約拉納費米子以後，還可以做拓撲量子計算。什麼是拓撲量子計算？我最後會提一下。大家就記住馬約拉納費米子除了在理論上、基礎研究上有重要性之外，還可以用來做拓撲計算，所以它既在理論上有重要性，在實際應用中也很重要，所以他的預言出來之後，人們一直在找尋它。

　　但是怎麼找？下面我就講講我們是怎麼找馬約拉納費米子的。在講之前，還要講一下，我們找的馬約拉納費米子是一種準的粒子，不是像電子、質子是一個真的粒子。準粒子是個什麼概念呢？這裡還要再解釋一下，就是說在凝聚態這個體系裡面，只有電子和原子核。在這樣一個體系裡面，如果你把很多個電子、原子湊在一塊兒，按照某種形式把他們組合在一塊兒，就有了一種特殊的性質。

　　這個特殊的性質可以把它看成是跟馬約拉納費米子一樣，就是它遵從同樣的馬約拉納方程，所以我們就可以把它看作是一個準粒子。它其實不是由單獨的一個粒子組成，是由很多的電子、原子組成一塊湊成的一個東西，DIY出來的這麼一個粒子，所以這叫準粒子。

　　我們想找的不是一個真的單個的粒子，是一個準粒子，是在固體裡面，我們經常提到的準粒子，它是代表很多個電子、原子共同的性質。知道了這個以後，我們就可以開始進行下一步了，看看怎麼找這個馬約拉納費米子。

　　馬約拉納費米子是存在一種叫做拓撲超導的材料裡面。所有自然界的材料，它們有導電的，有不導電的，導電的叫導體，不導電的叫絕緣體。超導體電阻為0，它比一般的導體要好，就是在導電過程中沒有電阻，這叫超導體。

　　超導體前面加兩個字叫拓撲超導體，這個東西是什麼材料呢？這裡我再解釋一下，拓撲超導體是拓撲絕緣體發現以後，人們發現的另外一種物質的狀態，這是一種新型的超導體，在它的表面就會存在著馬約拉納費米子。

　　但實際上自然界中我們發現了成千上萬種超導體，沒有一種是拓撲超導體。拓撲超導體在自然界中不存在，這就是一個很大的問題。就是說你要找到馬約拉納費米子，就必須找拓撲超導體，但是拓撲超導體在自然界中沒有，怎麼辦？

　　還好我們前面聽說過有一個叫拓撲絕緣體的材料，有一個理論預言，如果把拓撲絕緣體和超導體放在一起，他們倆就可以再組合成拓撲超導體。如果我們把拓撲絕緣體和超導體組合在一起，怎麼樣把它巧妙地組合起來，組合出這種拓撲超導體，然後我們就可以做馬約拉納費米子了。

　　我們的方案就是從這開始的，組超導體並不是那麼容易，我們在做這個實驗之前，我們有一定的實驗積累，我們把掃描隧道顯微鏡和一種叫分子數外延的尋找材料的方法結合在一起，這樣我們在材料製備上就達到了世界領先水平。我們可以一個原子層一個原子層的去找原子，這樣找出來的材料應該是世界上最好的純度。

　　有了這些技術以後，我們就通過另外的一個實驗的設計，很容易的找出了拓撲超導體，並且通過巧妙的設計，把這個拓撲超導體設計成比較有利於我們的實驗觀察的形式。所以有了這個材料之後，我們就可以比較好的進行我們的實驗。

　　我們的實驗是用了掃描隧道顯微鏡技術，這個掃描隧道顯微鏡是目前唯一的能夠在實空間裡面看見真實原子的顯微鏡，它的放大倍數非常大。說起來這個顯微鏡很神奇，但是實際上原理很簡單，它的原理就是相當於用一個手指頭在表面上去摸，原子有起伏，你就會感覺出來，但實際上不是用的手指頭，而是用的一個非常尖的針，針從表面上划過的時候，我們去測量針和亞米原子之間的電流，如果針和亞米原子之間非常近的時候電流大，遠的時候電流就小，這樣我們可以記錄表面上的高低起伏有沒有原子。

　　另外我們用的這個針有磁性，有了磁性以後，表面上，有磁性的原子和沒磁性的原子就可以區別開來，這樣我們就可以用這樣一個掃描隧道顯微鏡既研究表面上的結構，也研究表面上的磁性。這個就叫自旋極化掃描隧道顯微鏡，有了這個東西，又有了我們的材料，就可以開始我們的研究。

　　其實我們這個研究也不是那麼容易，找到了材料以後，又有了高級的設備，我們也是用了好幾年的時間，原因是什麼，原因就是我們並不知道馬約拉納費米子到底長什麼模樣，和普通的超導體有什麼區別。你看見了什麼東西，就是看見了馬約拉納費米子。所以我們花了好幾年的時間，我們找各種各樣的與普通超導體不一樣的信號，找到了這個信號以後看看它跟馬約拉納費米子是不是一樣。

　　這樣摸索了好幾年以後，終於我們找著了一種叫做自旋極化電流的東西，這就是我們用的樣品，其實樣品很小，這是一、二、三，三個樣品，真正起作用的就是中間一小點。在這個樣品上，這就是我們做的拓撲超導樣品，在這個樣品上我們又觀察到了自旋極化電流，自旋極化電流確實是由馬約拉納費米子產生的。通過這個觀察我們證明了馬約拉納費米子的存在。

　　最後我們再來講一下，馬約拉納費米子的發現對我們有什麼用？我剛才講了它可以用來做拓撲量子計算。量子計算非常有用，速度非常快，能夠處理現有的整個世界上加起來計算能力更大的東西。但是量子計算並不是那麼容易實現的，原因之一就是你想把所有的量子比特給它糾纏起來，然後保持它在一個相當長的時間之內完成這個量子計算很困難，有很多噪音雜質的影響。所以量子計算到目前為止還沒有實現。

　　為了克服這外界因素的幹擾，人們就提出了另外一個實現量子計算的方法，就是拓撲量子計算。拓撲量子計算就是利用它的拓撲性質，來保護量子比特不受幹擾，使它能夠不用再糾錯，不用再擔心退相干的問題，這樣更容易的實現量子計算。

　　但是拓撲量子計算完全是一個假想出來的方案，這個方案需要結合任意子，這是更奇特的一種東西，完完全全臆想出來的任意子。只有有了這個任意子，我們才能做這個拓撲來自計算。

　　這個任意子也是假想出來的，自然界當中也不存在。可喜的是，我們找到的馬約拉納費米子恰恰就是一種任意子，所以馬約拉納費米子為什麼能做拓撲量子計算，就是因為它是個任意子，所以它是實現拓撲量子計算的一種很好的材料。

　　我們希望接著往下研究，能夠在近期把馬約拉納費米子弄清楚，用它來做拓撲量子計算。其實在馬約拉納費米子被提出來能在凝聚態中能夠實現的這個想法以後，各個國家已經開始布局了，歐美已經投入了大量資金，在馬約拉納費米子的研究以及拓撲量子計算的研究方面。

　　微軟已經從2010年開始投資這個方向，五年一個周期，現在進入到第二個周期。所以拓撲量子計算方法和馬約拉納費米子的研究進展也非常快，國際上幾十個團隊都在研究這個方向。

　　我們能夠率先找到馬約拉納費米子，是非常幸運的一件事，我們希望能夠在國家的支持下，接著往前走，希望在五年到十年之內找出用馬約拉納費米子做的量子比特，然後再進一步實現拓撲量子計算。通過我的報告，希望大家能夠明白，什麼是馬約拉納費米子，馬約拉納費米子有多麼重要，找到馬約拉納費米子以後對我們將來的生活有什麼樣的影響，謝謝大家。