祛魅「天使粒子」:轟動一時的物理突破竟只是平庸 「短路」

2020-12-03 澎湃新聞

宣布「結束人類80年的漫長追尋」，旋即又陷入到2年多的爭議。4位華人科學家發現正反同體「天使粒子」的成果，終於迎來了階段性的判定。

1月3日，以美國賓夕法尼亞州立大學物理系助理教授常翠祖等為通訊作者的一篇論文在線發表在頂級學術期刊《科學》上。該團隊在30多個樣品上均未能找到「天使粒子」存在的證據，相反，此前所謂的「證據」可能用一種更為平庸的「短路」機制來解釋。

正反一體粒子

時間倒回到2017年7月，同樣是在《科學》上，一篇題為《量子反常霍爾絕緣體-超導體結構中的手徵馬約拉納費米子模》的論文出世，轟動一時，通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆。

這項工作，涉及到一種預言中的神秘粒子——馬約拉納費米子。物理學領域的基本粒子分為兩種：費米子和玻色子，費米子包含電子、夸克等我們熟悉的組成物質的粒子。

1928年，物理學家保羅·狄拉克做出預測：宇宙中的每個基本粒子都有一個與其對應的反粒子——電荷相反的「雙胞胎」。當粒子與反粒子相遇時，它們會湮滅，同時釋放出一股能量。

1937年，義大利天才物理學家埃託雷·馬約拉納提供了另一種預測：應該有一些費米子，自己就是自己的反粒子，並可以用一個波動方程來描述。馬約拉納預測之後悄然失蹤，給這一預言增添了神秘色彩。

義大利天才物理學家埃託雷·馬約拉納

80年後，同樣有天才之名的張首晟給馬約拉納費米子起了個別名叫「天使粒子」，靈感來源於丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。「這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使，沒有魔鬼的完美世界。」

電導「半個臺階」

何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆等人找到的決定性實驗證據，是「半個臺階」，即半整數電導機制。

張首晟在2008年理論預言了量子反常霍爾效應，並在2013年被其好友、清華大學教授薛其坤團隊證實。在實驗中，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，它只能整數倍地「跳臺階」。

通常的粒子只能跳整個臺階，那么正反同體的馬約拉那費米子從某種意義上算是「半個粒子」，會不會按半整數跳呢？1993年，文小剛就預測在一些二維拓撲物態邊界上會出現手徵馬約拉納費米子模。

王康隆團隊使用的器件結構

當加州大學洛杉磯分校王康隆團隊把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，確實看到了「半個臺階」，對應 1/2 倍基本電阻單位e2/ h。

成果三重爭議

在廣泛媒體報導之後，「天使粒子」成果陷入長期爭議。

第一重爭議：有沒有發現真實的粒子？

其實，馬約拉納費米子一直有個「最佳嫌疑人」，就是中微子。不過，證明這一點需要進行無中微子的beta雙衰變實驗，人類暫時還沒有能力達到相應的實驗精度。因此，一些科學家將目光轉向了凝聚態物理。

凝聚態物理學研究的是由大量粒子組成的凝聚態結構，一般無法直接觀測到單個粒子。不過，固體材料（比如金屬、非金屬、半導體、超導體）內部的自由電子，在何時的磁場、壓力、溫度等外部條件下，會產生特定的集體活動趨勢，仿佛是一個虛擬粒子。

這些「準粒子」，在合適的環境條件會表現出和真實粒子一樣的物理規律，只是「附身」在固體材料上，可以視作粒子投射其上的魅影，即馬約拉納費米子模。

簡化一點描述的話，真正的馬約拉納粒子是三維的，而虛擬的馬約拉納費米子模是一維的。

論文本身使用的是「手徵馬約拉納費米子模」的專業表述，但媒體廣泛使用了更為通俗的「馬約拉納粒子」這一提法，引起一些誤解。

第二重爭議：貢獻分配「內訌」。在張首晟主導了成果的廣泛曝光後，王康隆對其「喧賓奪主」有所不滿。他公開表示，張首晟並未參與到實驗中，直到論文發表前的3個月，張才要求成為文章的通訊作者。

2018年12月，張首晟因抑鬱症在史丹福大學墜樓身亡，關於「天使粒子」的公開討論逐漸沉寂，然而，實驗重複性這第三重爭議，卻始終暗流湧動。

該成果發布後，國際上多個研究組試圖重複實驗結果，但再未得到「天使粒子」的明確證據。一些理論認為，關鍵的半整數電導平臺可能並非由手徵馬約拉納費米子模造成，存在幾種更為平庸的解釋，包括材料邊緣的「短路」問題。

事實上，「天使粒子」論文從投遞到發表長達一年，據知情科研人員透露，《科學》審稿人確實有此種顧慮，要求王康隆團隊盡力排除其他可能性後才最終接收。

祛魅

此次《科學》發表的負面結果論文，最終指向了「短路」這一平庸的機制。論文題為《在量子反常霍爾超導器件中缺乏手徵馬約拉納費米子模的證據》。

仿照「天使粒子」論文的實驗，由賓夕法尼亞州立大學領導的團隊製作了30多個普通超導體與反常量子霍爾效應薄膜組合的結構，發現當器件處於反常量子霍爾態且與磁化方向一致時，兩端的電導始終呈現出半整數臺階。這與「天使粒子」論文實驗中整數臺階與半整數臺階並存的結果不符。

《科學》最新發表的反轉論文

文章認為，這種半量子化電導平臺不太可能是由樣本中的手徵馬約拉納粒子導致的。該團隊指出，此前的實驗忽略了覆蓋在反常量子霍爾效應薄膜上的超導體條會將兩側的反常量子霍爾絕緣體進行簡單電學連接。換句話說，造成「短路」。這種短路才是「半個臺階」現象出現的根源。

80多年過去，馬約拉納費米子依然杳無蹤跡。它一度在凝聚態物理學界的熱門材料上閃現魅影，牽扯上拓撲量子計算的熱點更顯誘惑，但最終證實只是一場幻夢。

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