尋找馬約拉納費米子的競賽

2020-11-04 卡比獸papa

2018年7月12日日本 「PC Watch」 網站上登載了一則新聞：發現了80多年未能證明其存在的夢幻粒子！（日文標題：予言から80年以上実在が証明できなかった「幻の粒子」「マヨラナ粒子」が発見）京都大學與東京大學、東京工業大學的研究團隊發現了一種叫做「馬約拉納」的夢幻粒子，這種粒子在並非超低溫的高溫狀態也可以活動，有助於實現 「拓撲量子計算機」。日本科學家團隊的這項發現刊載於2018年7月12日的英國《自然》科學雜誌上。



圖 東京工業大學等發現的「馬約拉納費米子」現象

這則新聞霎那讓筆者的腦細胞興奮起來：這莫不會又是一個諾貝爾獎級別的發現呢！

「馬約拉納費米子」 對一般人來說是一個陌生的名字。但是，相信很多人都聽說過粒子與反粒子的概念，或者說物質與反物質的概念。電影《天使與魔鬼》中描述僅含有0.25克反物質的炸彈就足以將梵蒂岡從地球上抹去。電影《星際迷航》中的 「企業號」 飛船則使用由物質與反物質湮滅產生的強大推力來獲得超光速飛行速度。反粒子、反物質是多麼令人痴迷阿。

反粒子的存在是由英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）在1928年預言的。預言說，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，會釋放出巨大能量，從而相互湮滅。1932年加州理工大學的安德森(Carl David Anderson)發現了第一個反粒子，即電子的反粒子---正電子。1955年在美國伯克利高能質子穩相加速器上，研究人員製造出了第一個反質子，即電荷為負的質子。

而 「馬約拉納費米子」，簡單地說就是自己是自己的反粒子。或者說，這是一種其反粒子為其自身的費米子。這種很奇特的費米子，是由義大利著名物理學家埃託雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在1937年提出的。他預言在名為費米子（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。

因為電子與質子都找到了對應的反粒子，所以，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，剩下來就只有中微子了。由於，「馬約拉納費米子」有服從一種叫做「非阿貝爾量子統計」規律的特性。這個特性耐環境幹擾，便於保持量子信息的穩定性，揭示了用來實現「拓撲量子計算機」的可能性。而現在的量子計算機是通過由捕捉0與1的量子力學疊加狀態的量子比特所構成的門電路進行並列計算而實現的。這種「量子比特」極其不穩定，經不起溫度與磁場這樣的環境幹擾。因此，科學界展開了尋找「馬約拉納費米子」的競爭。尤其是在凝聚態物理學界，尋找「馬約拉納費米子」是一個經久不衰的課題。

然而，雖然發達國家投入了大量的資金，但是，要找到自然界中存在的「馬約拉納費米子」，卻是極其艱巨和遙遙無期的任務。所以，科學家們轉而尋求滿足馬約拉納費米子性質的「準粒子」，即通過超導材料中電子的集體行為產生的粒子式激發，人為地製造出馬約拉納費米子的激發態，但並不是這種粒子本身（當然，也有人說三維的準粒子和三維的基本粒子是沒有區別的）。

事實上，並非日本科學家首次 「發現了」 馬約拉納費米子。

一年前（2017年7月21日）就有報導說，美國史丹福大學華裔科學家張首晟及其團隊在美國《科學》雜誌上發表了一項重大發現，即發現了 「馬約拉納費米子」的存在。該成果由加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）何慶林、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研究團隊共同完成，論文通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆。

那麼，華裔科學家團隊與日本科學家團隊的「發現」有什麼異同呢？

按筆者的理解，相同之處，都是利用拓撲絕緣體和超導體耦合來研究馬約拉納費米子。即通過在量子反常霍爾絕緣體薄膜和常規超導體薄膜組成的混合器件中測量量子反常霍爾效應（Quantum Anomalous Hall Effect），看其是否出現一個半整數現象，而且左右不對稱。這是因為馬約拉納費米子沒有反粒子（即其反粒子為其自身），在某種意義上說它是常規粒子的一半，因此，半整數量子化平臺就提供了馬約拉納費米子存在的明確證據。

不同的是所用材料與方法的相異。

華裔科學家團隊是在GaAs襯底上製備了量子反常霍爾絕緣體薄膜CrBiSbTe的樣品，並由Nb超導體覆蓋。通過調節外磁場的強度，在通常的整數量子平臺之外，探測到半整數量子平臺。隨後的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力的排除了其他可能的實驗幹擾與假象。跟以前觀察到的準粒子只是停在一維納米線的一個地方不同，華裔科學家團隊發現的馬約拉納費米子是在二維材料的邊緣沿著一個方向移動，好像賽車場上的跑車似的。

日本科學家則是利用A.Kitaev模型(由美國加州工科大學的俄裔教授Kitaev在2006年發明)，對磁性絕緣體氯化釕（α-RuCl3）的量子自旋狀態，在一定溫度下通過改變磁場強度，用非常高的精度測定熱霍爾效應。因為是在不導電的絕緣體上量化熱霍爾效應，所以，證明了這個效應是來自不帶電的粒子。同時，熱霍爾傳導是量子化值的一半，說明傳熱的粒子只有電子的自由度的一半。也就證明了這個粒子就是馬約拉納費米子。

在此之前的超導研究，馬約拉納費米子現象的出現僅局限在0.01K（-273.14度）的超低溫狀態。日本科學家的研究是在5K（-268.15度）觀測到馬約拉納費米子，證明了相對高溫也可以出現馬約拉納費米子的量子纏繞。

這個實驗的兩個重要的因素： 「拓撲絕緣體」 與 「超導體」，都是日本材料科學研究的強項。拓撲絕緣體是一種內部絕緣，而邊緣產生自旋偏極金屬狀態的材料。東京大學、京都大學、大阪科學技術中心以及東工大、理化學研究所、東北大學等學術機構在這方面有著深厚的底蘊。

當然，證明完了馬約拉納費米子的存在，還要進一步研究如何操作這些奇特的準粒子們，才可以使迷幻的粒子造福人類。如果今後能有效控制出現在量子自旋液體裡的馬約拉納費米子，那麼離實現在相對高溫下運轉的拓撲量子計算機就近了一步。


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