中国科学家发现马约拉纳费米子

　　6月22日，以中国上海交通大学领衔的合作团队宣布，他们已经找到了过去近80年来物理学家一直在苦苦探索的一种基本粒子——马约拉纳费米子。研究或帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。　　这项基于超导材料等一系列创新成果的发现，被国内外科学家认为是该领域的一个里程碑，为研究马约拉纳物理及后续实验打开了一扇新窗口。　　揭开神秘粒子的“面纱”　　在物理学最小的基本粒子世界里有着“两大家族”：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子）。一般认为，每一种粒子都有其反粒子，如费米子与其反粒子就像一对长相一样但脾气相反的孪生子，一见面就“大打出手”，产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。　　1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中或存在一类特殊费米子，该粒子与其反粒子长相、脾气完全相同，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。粒子物理标准模型里的中微子或是一种潜在的马约拉纳费米子。但要证明这一点非常困难。　　2016年年初，中国科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。上海交大贾金锋研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组，南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮等合作，率先观测到拓扑超导体涡旋中存在该粒子的重要证据。“事实上，我们发现的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子，而是一种准粒子，但它同样符合马约拉纳的预言。”贾金锋说。　　准粒子是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法，即把传统意义上某种粒子集体行为的某些表现，看作是一个粒子的行为。这样可以简化模型，便于正确表述某些具体物理现象背后的机理。　　“粒子和准粒子就像球员和球队的关系。”贾金锋比喻说，“我们可能不了解队中每个球员的特点以及球员之间的配合情况，但整支球队却像一个准粒子一样，可以比较简单地被认识。”　　拓扑超导与原子指针　　几年前，理论物理学家曾预言，马约拉纳费米子可能存在于拓扑超导体的涡旋中心。然而，自然界中却一直未能发现拓扑超导体。那么，贾金锋团队是怎样使马约拉纳费米子“露面”的呢？　　“理论预言，在拓扑绝缘体上放置超导材料就能实现拓扑超导。”贾金锋说，“这听起来容易，但在材料科学领域却是一大难题。而且由于上方超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被探测到。”　　对此，研究团队在2012年另辟蹊径，把超导材料放在了拓扑绝缘体下面，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上，为寻找其踪迹奠定了重要的材料基础。　　2014年底，一篇理论文章预言了马约拉纳费米子的磁学性质。贾金锋敏锐地意识到，可以用自旋极化的扫描隧道显微镜探测马约拉纳费米子。“地球有南极和北极，磁性材料表面的不同位置也有南与北。”他说，“自旋极化的扫描隧道显微镜的针尖具有磁性，它就像一个‘原子指南针’，能准确探测一个原子的磁性特征，帮助我们找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的马约拉纳费米子。”　　由于该粒子磁性极弱，研究团队与南京大学合作，利用其刚刚建设的一台40毫开的灵敏、低温扫描隧道显微镜系统，在人造拓扑超导薄膜表面的涡旋中心进行了仔细测量。2015年年底，合作团队终于直接观察到该粒子存在的有力证据。“我们观察到了由马约拉纳费米子引起的特有自旋极化电流，这是其存在的确定性证据。”贾金锋说。　　随后，他们又与浙大合作进行了理论计算等工作。2016年初，研究发现，理论计算结果完全支持实验观测到的结果。通过反复对比实验，研究人员认为，只有马约拉纳费米子才能产生这种自旋极化电流的现象。至此，马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开。　　或推进量子计算　　这是科学家首次观测到马约拉纳费米子的自旋相关性质，同时也提供了一种用相互作用调控马约拉纳费米子存在的有效方法，还为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接测量的办法。　　“这项实验把最高水平的样品生长和扫描隧道显微镜测量结合在一起，在一个真空室中完成，是一项‘旷世科学杰作’。”美国科学院院士、麻省理工学院教授Patrick Lee评价说，“这是第一个研究涡旋中马约拉纳态自旋相关特性的实验，实验数据与理论预期呈定性一致，强烈说明马约拉纳态的存在，为研究马约拉纳物理打开了一扇新窗口。”　　清华大学副校长薛其坤院士认为，该团队在国际上首先制备出拓扑绝缘体/超导体异质结是材料科学的一个突破，也使其“在这场竞赛中占据了战略制高点”。此次研究不仅首次证明了马约拉纳粒子模的存在，也使利用其进行拓扑量子计算成为可能。　　“这项研究更关键的是在极小的磁场下发现了马约拉纳费米子，说明拓扑绝缘体—超导体异质结是一个非常可靠的材料平台，具有潜在的器件应用前景。”该研究合作者傅亮说。　　科学家预期，马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择之一。与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，基于量子物理机理计算机数据处理速度惊人。它们能对海量已经合成的新材料，乃至对未合成的概念材料进行精确高效的计算，为材料科学带来革命性的进步。　　然而，迄今尚未制造出量子计算机的一个重要原因是，目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或物理干扰可轻松打乱其本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，它的状态非常稳定。这些属性或是使量子计算机的制造变成现实的一个关键，贾金锋说。　　也有科学家认为，至今尚未直接观测到的中性超对称费米子，很可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质，而这种中性超对称费米子可能就是一种马约拉纳费米子。因此，此次观测到复合的马约拉纳费米子，或让揭开暗物质谜团又近了一步。来源：《中国科学报》

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