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近日，上海交通大學科研團隊在實驗室里成功捕獲到了一種物理學家尋找多年的神秘粒子———馬約拉納費米子。這種困擾了物理學界80多年的正反粒子同體的特殊費米子，也是未來制造量子計算機的可能候選對象。美國東部時間6月21日(北京時間6月22日)，國際頂級物理學刊物《物理評論快報》在線發表了上海交通大學教授賈金鋒及其合作者的論文。

在全球幾十個團隊中，中國科學家聯手勝出

今年初，上海交通大學賈金鋒教授研究組與浙江大學許祝安、張富春研究組，南京大學李紹春研究組及美國麻省理工學院傅亮教授等合作形成的研究團隊，率先觀測到了在拓撲超導體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據。“這是中國科學家聯手攻關的產物。”上海交通大學校長、中科院院士張杰教授說。

粒子世界有兩大家族，費米子家族和玻色子家族，它們分別以物理學家費米和玻色的名字命名。基本粒子中所有的物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料(如輕子中的電子，組成質子和中子的夸克、中微子);而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻色子)都是玻色子。

一般認為，每一種粒子都有它的反粒子，費米子和它的反粒子碰撞后，產生的能量會讓它們瞬間湮滅。但是，80年前，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，這種費米子的反粒子不但和它自己“長相”一樣，“脾氣”也完全相同，即它們的反粒子就是它們自己，這種費米子被稱為馬約拉納費米子。但沒有人發現過這一費米子。

物理學家一直認為，中微子有可能就是一種馬約拉納費米子，但要證明這一點卻并不容易。因為中微子本身沒有能量，而物理學的粒子觀測需要依靠能量。因此，盡管科學家努力多年，卻一直沒有進展，馬約拉納費米子只是作為一個優美的理論構造存在于理論家的腦海里。

加州理工大學教授、量子計算的倡導者阿歷克謝·克塔夫提出，要實現量子計算，前提是要有non—Abelian任意子，而拓撲超導體中的馬約拉納費米子恰好是最簡單的non—Abelian任意子。加之近年來中微子研究領域不斷有所突破，因此，尋找馬約拉納費米子以及證明中微子就是馬約拉納費米子，成為全世界科學家競爭激烈的領域。

世界各國有幾十個團隊希望能夠證明中微子就是馬約拉納費米子，美國、荷蘭還設立了專門的基金。由于在量子計算方面的應用前景，微軟公司也投入了大量研究經費。2010年以來，國際上的重要期刊已經刊登關于馬約拉納費米子的SCI文章近1萬篇。而此次上海交大領銜的科學家團隊，是首次發現這一粒子。

發現馬約拉納費米子，將有助于解釋宇宙中各種未知的難題。據上海交大物理與天文學專業教授季向東介紹，現在有科學家認為，至今還沒有被直接觀測到的馬約拉納費米子，可以解釋宇宙中暗物質和物質目前不守恒的原因。甚至有科學家認為，中性超對稱費米子很可能組成了宇宙中大多數甚至全部的暗物質。因此，觀測到馬約拉納費米子，對于揭開暗物質的謎團也許又進了一步。

不斷地創新，才能帶來科研上的突破

“尋找馬約拉納費米子的過程，就是不斷突破、不斷創新的過程。”賈金鋒在接受記者采訪時說。

2008年，傅亮和查爾斯·肯恩首次在理論上提出了拓撲超導異質結構中將存在馬約拉納費米子的學術思想。理論預言聽起來容易，但在材料科學領域卻是一大難題。由于在上方超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被探測到。

賈金鋒課題組在大量實驗基礎上，沒有按照大多數人的思路往下走，而是反其道而行之，最終在超導材料的上方“生長”出了拓撲絕緣體薄膜，讓拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體，直接在薄膜表面觀測到了馬約拉納費米子，這為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎。而相關的結果也發表在2012年的《科學》雜志上。《科學》雜志審稿人評價這一成果為“材料科學的突破”和“巨大的實驗成就”。

在馬約拉納費米子研究的最初階段，沒人知道這種神秘的粒子會以什么形式出現，賈金鋒團隊所能做的只是仔細搜尋拓撲超導體上的所有蛛絲馬跡。雖然他們陸續找到了一些這種粒子存在的跡象，但一直不能最終確定這些跡象就一定代表馬約拉納費米子的本征特性。

2014年底，一篇理論文章預言了馬約拉納費米子的磁學性質，賈金鋒立刻敏銳地意識到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡來探測馬約拉納費米子。“地球有南極和北極，同樣，在磁性材料表面的不同位置處也有‘南’與‘北’，這就是材料的磁學性質。自旋極化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個‘原子指南針’，能夠準確地探測一個原子的磁性特征，幫助我們找到隱藏在拓撲超導體渦旋中的馬約拉納費米子。”

然而，馬約拉納費米子的磁性非常弱，要探測到它需要有更加靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡。課題組在微結構科學與技術2011協同創新中心的成員單位南京大學找到了剛建成的40mK的掃描隧道顯微鏡系統。按照預先設計好的方案，在2015年底，賈金鋒團隊及其合作者終于直接觀察到了馬約拉納費米子存在的有力證據。

在實驗中，課題組觀察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流，這是馬約拉納費米子存在的確定性證據。此后，他們又與協同創新中心的另外一個成員單位浙江大學合作，進行理論計算等。

在2016年初，研究團隊發現理論計算的結果完全支持實驗觀測到的結果。通過反復對比實驗，發現只有馬約拉納費米子才能產生這種自旋極化電流現象。

至此，馬約拉納費米子的神秘面紗終于被揭開，賈金鋒表示，這是他們的實驗首次觀測到馬約拉納費米子的自旋相關性質，同時也提供了一種用相互作用調控馬約拉納費米子存在的有效方法，還為觀察神秘的馬約拉納費米子提供了一個直接測量的辦法。

在中科院院士、浙江大學教授張澤看來，這個持續了幾年的研究，要觀測到馬約拉納費米子，必須首先制備出合適的材料，隨后還有多個單位的配合。科學發現毫無疑問是創新，但是長期的積累和跨學科的合作非常重要。“中國人能夠跨出越來越多第一步，和我們在投入、自信心、年輕人發揮越來越大的作用有密切的關系。”