一種物理學(xué)家80年前就已預(yù)言卻一直苦尋無(wú)果的“神秘粒子”——馬約拉納費(fèi)米子，近日被上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室成功捕獲。

6月22日，上海交大舉行新聞發(fā)布會(huì)，公布人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得的這一重大突破。

美國(guó)東部時(shí)間6月21日（北京時(shí)間6月22日），國(guó)際頂級(jí)物理學(xué)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》在線發(fā)表了上海交通大學(xué)賈金鋒教授及其合作者的論文《Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor》。

通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，賈金鋒研究團(tuán)隊(duì)率先觀測(cè)到了在渦旋中的馬約拉納費(fèi)米子的蹤跡。在過(guò)去的80年里，粒子物理學(xué)家一直在搜尋馬約拉納費(fèi)米子，這種粒子既是困擾物理學(xué)界80多年的正反粒子同體的特殊費(fèi)米子，也是未來(lái)制造量子計(jì)算機(jī)的可能候選對(duì)象。

中外物理學(xué)家評(píng)價(jià)稱，這或?qū)⒁l(fā)新一輪電子技術(shù)的革命，制造出性能遠(yuǎn)超普通計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，使人類進(jìn)入拓?fù)淞孔佑?jì)算的時(shí)代。

神秘粒子困擾物理學(xué)界80年

賈金鋒介紹稱，在物理學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家把構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位叫做“基本粒子”，它們是構(gòu)成各種物質(zhì)的原材料。

粒子世界里住著兩大家族：費(fèi)米子家族（如電子、質(zhì)子）和玻色子家族（如光子、介子），分別以物理學(xué)家費(fèi)米和玻色的名字命名。

“一般認(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，費(fèi)米子和它的反粒子就像一對(duì)長(zhǎng)相一模一樣，但脾氣完全相反的雙胞胎兄弟，兩兄弟一見(jiàn)面就‘大打出手’，產(chǎn)生的能量甚至?xí)屗鼈兯查g湮滅?！辟Z金鋒說(shuō)。

然而在1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費(fèi)米子，這種費(fèi)米子的反粒子不但和它自己長(zhǎng)相一樣，脾氣也完全相同。兩兄弟站在一起就像照鏡子，可以說(shuō)，它們的反粒子就是自己本身，這種費(fèi)米子被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”。

但是，令科學(xué)家十分頭疼的是，要證明這一點(diǎn)非常困難，在過(guò)去近80年中，物理學(xué)家一直都未找到馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)。

直至2016年初，上海交大學(xué)賈金鋒教授研究組與浙江大學(xué)許祝安、張富春研究組，南京大學(xué)李紹春研究組，美國(guó)麻省理工學(xué)院傅亮教授等合作形成的研究團(tuán)隊(duì)，率先觀測(cè)到了在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費(fèi)米子的重要證據(jù)?！笆聦?shí)上，我們所發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子并不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上的粒子，而是一種準(zhǔn)粒子，但它同樣符合馬約拉納的預(yù)言?！?/p>

賈金鋒介紹，準(zhǔn)粒子是凝聚態(tài)物理中一個(gè)重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，可大大簡(jiǎn)化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象的物理機(jī)理。

賈金鋒說(shuō)，粒子和準(zhǔn)粒子的關(guān)系就像球員和球隊(duì)的關(guān)系：一支球隊(duì)中每個(gè)球員可看作是傳統(tǒng)意義上的粒子，雖然每個(gè)球員都有自己的特色，但整體上球隊(duì)卻會(huì)表現(xiàn)出來(lái)一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)格。

“原子指南針”探測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子存在關(guān)鍵證據(jù)

幾年前，有理論物理學(xué)家預(yù)言，馬約拉納費(fèi)米子很有可能在拓?fù)涑瑢?dǎo)體的渦旋中心能找到，然而，自然界中至今仍未發(fā)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體。賈金鋒團(tuán)隊(duì)如何使馬約拉納費(fèi)米子“露面”？

“理論預(yù)言，在拓?fù)浣^緣體上面放置超導(dǎo)材料就能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)。這件事情聽(tīng)起來(lái)容易，但卻在材料科學(xué)領(lǐng)域是一大難題。而且，由于在上方的超導(dǎo)材料的覆蓋，馬約拉納費(fèi)米子很難被探測(cè)到?！?strong>賈金鋒說(shuō)，他們反其道而行之，將超導(dǎo)材料放在拓?fù)浣^緣體下面，使它上方“生長(zhǎng)”出拓?fù)浣^緣體薄膜，讓薄膜表面變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費(fèi)米子從“暗處”翻到了“明面”上，使觀察更方便，為尋找馬約拉納費(fèi)米子奠定了重要的材料基礎(chǔ)。

2014年底，一篇理論文章預(yù)言了馬約拉納費(fèi)米子的磁學(xué)性質(zhì)，賈金鋒立刻敏銳地意識(shí)到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡，來(lái)探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子?！白孕龢O化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個(gè)‘原子指南針’，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)一個(gè)原子的磁性特征，幫助我們找到隱藏的馬約拉納費(fèi)米子?！?/p>

在南京大學(xué)剛建成的一臺(tái)掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)幫助下，團(tuán)隊(duì)研究人員用自旋極化的掃描隧道顯微鏡，在“人造拓?fù)涑瑢?dǎo)薄膜”表面的渦旋中心進(jìn)行了仔細(xì)測(cè)量。2015年底，賈金鋒團(tuán)隊(duì)及其合作者直接觀察到了馬約拉納費(fèi)米子存在的有力證據(jù)。

“在實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到了由馬約拉納費(fèi)米子所引起的特有自旋極化電流， 這是馬約拉納費(fèi)米子存在的確定性證據(jù)。” 賈金鋒說(shuō)。

2016年初，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)反復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有馬約拉納費(fèi)米子才能產(chǎn)生這種自旋極化電流的現(xiàn)象。至此，馬約拉納費(fèi)米子的神秘面紗終于被揭開(kāi)。

或使人類進(jìn)入拓?fù)淞孔佑?jì)算時(shí)代

找到馬約拉納費(fèi)米子意味著什么？研究團(tuán)隊(duì)表示，這意味著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了一個(gè)重大突破，同時(shí)也意味著在固體中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算成為可能。這個(gè)發(fā)現(xiàn)或?qū)⑹谷祟愡M(jìn)入拓?fù)淞孔佑?jì)算的時(shí)代。

據(jù)團(tuán)隊(duì)物理專家介紹，量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度驚人，如果把量子計(jì)算機(jī)比作飛機(jī)的話，那么普通計(jì)算機(jī)只能算是自行車。以天氣預(yù)報(bào)為例，如使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算天氣數(shù)據(jù)，能瞬間運(yùn)算海量數(shù)據(jù)，大大提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

量子計(jì)算機(jī)還能對(duì)海量已經(jīng)合成的新材料，甚至還能對(duì)未合成的概念材料進(jìn)行系統(tǒng)、精確、高效地計(jì)算，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的進(jìn)步。而科學(xué)家們預(yù)期，馬約拉納費(fèi)米子就是制造量子計(jì)算機(jī)的完美選擇之一。

賈金鋒表示，迄今還沒(méi)有制造出真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)很重要的原因是，目前用于量子計(jì)算的粒子的量子態(tài)并不穩(wěn)定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應(yīng)進(jìn)行的計(jì)算。而馬約拉納費(fèi)米子的反粒子就是自己本身，它的狀態(tài)非常穩(wěn)定。這些屬性或許使量子計(jì)算機(jī)的制造變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)關(guān)鍵，從而幫助人類敲開(kāi)拓?fù)淞孔佑?jì)算時(shí)代的大門(mén)。

對(duì)于賈金鋒研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，美國(guó)科學(xué)院院士、MIT講席教授Patrick Lee稱這是一個(gè)曠世之作，“這是第一個(gè)研究渦旋中馬約拉納態(tài)自旋相關(guān)特性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性地與理論預(yù)期符合，這強(qiáng)烈地說(shuō)明馬約納拉態(tài)的存在。這個(gè)工作打開(kāi)了一個(gè)研究馬約拉納物理的新窗口，將一定會(huì)帶來(lái)更多的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。”

科學(xué)突破獎(jiǎng)獲得者、拓?fù)淅碚撔滦恰IT教授Liang Fu說(shuō)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)除了證明馬約拉納費(fèi)米子像理論預(yù)言的那樣存在，還第一次研究了它不同尋常的自旋特性。更重要的是，他們?cè)诜浅Ｐ〉拇艌?chǎng)下發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子，這說(shuō)明拓?fù)浣^緣體-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是一個(gè)非常可靠的材料平臺(tái)，并具有可能的器件應(yīng)用前景，這將毫無(wú)疑問(wèn)地在這個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域里激發(fā)更多的工作。