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近日，上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里成功捕獲到了一種物理學(xué)家尋找多年的神秘粒子———馬約拉納費(fèi)米子。這種困擾了物理學(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。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)教授賈金鋒及其合作者的論文。

在全球幾十個(gè)團(tuán)隊(duì)中，中國(guó)科學(xué)家聯(lián)手勝出

今年初，上海交通大學(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)李紹春研究組及美國(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)。“這是中國(guó)科學(xué)家聯(lián)手攻關(guān)的產(chǎn)物。”上海交通大學(xué)校長(zhǎng)、中科院院士張杰教授說(shuō)。

粒子世界有兩大家族，費(fèi)米子家族和玻色子家族，它們分別以物理學(xué)家費(fèi)米和玻色的名字命名。基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料(如輕子中的電子，組成質(zhì)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(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，費(fèi)米子和它的反粒子碰撞后，產(chǎn)生的能量會(huì)讓它們瞬間湮滅。但是，80年前，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(lèi)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，即它們的反粒子就是它們自己，這種費(fèi)米子被稱(chēng)為馬約拉納費(fèi)米子。但沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)過(guò)這一費(fèi)米子。

物理學(xué)家一直認(rèn)為，中微子有可能就是一種馬約拉納費(fèi)米子，但要證明這一點(diǎn)卻并不容易。因?yàn)橹形⒆颖旧頉](méi)有能量，而物理學(xué)的粒子觀測(cè)需要依靠能量。因此，盡管科學(xué)家努力多年，卻一直沒(méi)有進(jìn)展，馬約拉納費(fèi)米子只是作為一個(gè)優(yōu)美的理論構(gòu)造存在于理論家的腦海里。

加州理工大學(xué)教授、量子計(jì)算的倡導(dǎo)者阿歷克謝·克塔夫提出，要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，前提是要有non—Abelian任意子，而拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納費(fèi)米子恰好是最簡(jiǎn)單的non—Abelian任意子。加之近年來(lái)中微子研究領(lǐng)域不斷有所突破，因此，尋找馬約拉納費(fèi)米子以及證明中微子就是馬約拉納費(fèi)米子，成為全世界科學(xué)家競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域。

世界各國(guó)有幾十個(gè)團(tuán)隊(duì)希望能夠證明中微子就是馬約拉納費(fèi)米子，美國(guó)、荷蘭還設(shè)立了專(zhuān)門(mén)的基金。由于在量子計(jì)算方面的應(yīng)用前景，微軟公司也投入了大量研究經(jīng)費(fèi)。2010年以來(lái)，國(guó)際上的重要期刊已經(jīng)刊登關(guān)于馬約拉納費(fèi)米子的SCI文章近1萬(wàn)篇。而此次上海交大領(lǐng)銜的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，是首次發(fā)現(xiàn)這一粒子。

發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子，將有助于解釋宇宙中各種未知的難題。據(jù)上海交大物理與天文學(xué)專(zhuān)業(yè)教授季向東介紹，現(xiàn)在有科學(xué)家認(rèn)為，至今還沒(méi)有被直接觀測(cè)到的馬約拉納費(fèi)米子，可以解釋宇宙中暗物質(zhì)和物質(zhì)目前不守恒的原因。甚至有科學(xué)家認(rèn)為，中性超對(duì)稱(chēng)費(fèi)米子很可能組成了宇宙中大多數(shù)甚至全部的暗物質(zhì)。因此，觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子，對(duì)于揭開(kāi)暗物質(zhì)的謎團(tuán)也許又進(jìn)了一步。

不斷地創(chuàng)新，才能帶來(lái)科研上的突破

“尋找馬約拉納費(fèi)米子的過(guò)程，就是不斷突破、不斷創(chuàng)新的過(guò)程。”賈金鋒在接受記者采訪時(shí)說(shuō)。

2008年，傅亮和查爾斯·肯恩首次在理論上提出了拓?fù)涑瑢?dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中將存在馬約拉納費(fèi)米子的學(xué)術(shù)思想。理論預(yù)言聽(tīng)起來(lái)容易，但在材料科學(xué)領(lǐng)域卻是一大難題。由于在上方超導(dǎo)材料的覆蓋，馬約拉納費(fèi)米子很難被探測(cè)到。

賈金鋒課題組在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，沒(méi)有按照大多數(shù)人的思路往下走，而是反其道而行之，最終在超導(dǎo)材料的上方“生長(zhǎng)”出了拓?fù)浣^緣體薄膜，讓拓?fù)浣^緣體薄膜的表面變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體，直接在薄膜表面觀測(cè)到了馬約拉納費(fèi)米子，這為尋找馬約拉納費(fèi)米子奠定了重要的材料基礎(chǔ)。而相關(guān)的結(jié)果也發(fā)表在2012年的《科學(xué)》雜志上。《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)這一成果為“材料科學(xué)的突破”和“巨大的實(shí)驗(yàn)成就”。

在馬約拉納費(fèi)米子研究的最初階段，沒(méi)人知道這種神秘的粒子會(huì)以什么形式出現(xiàn)，賈金鋒團(tuán)隊(duì)所能做的只是仔細(xì)搜尋拓?fù)涑瑢?dǎo)體上的所有蛛絲馬跡。雖然他們陸續(xù)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(fèi)米子的本征特性。

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。“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(xué)性質(zhì)。自旋極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，幫助我們找到隱藏在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中的馬約拉納費(fèi)米子。”

然而，馬約拉納費(fèi)米子的磁性非常弱，要探測(cè)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(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)2011協(xié)同創(chuàng)新中心的成員單位南京大學(xué)找到了剛建成的40mK的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案，在2015年底，賈金鋒團(tuán)隊(duì)及其合作者終于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，課題組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)。此后，他們又與協(xié)同創(chuàng)新中心的另外一個(gè)成員單位浙江大學(xué)合作，進(jìn)行理論計(jì)算等。

在2016年初，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算的結(jié)果完全支持實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果。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現(xiàn)象。

至此，馬約拉納費(fèi)米子的神秘面紗終于被揭開(kāi)，賈金鋒表示，這是他們的實(shí)驗(yàn)首次觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的自旋相關(guān)性質(zhì)，同時(shí)也提供了一種用相互作用調(diào)控馬約拉納費(fèi)米子存在的有效方法，還為觀察神秘的馬約拉納費(fèi)米子提供了一個(gè)直接測(cè)量的辦法。

在中科院院士、浙江大學(xué)教授張澤看來(lái)，這個(gè)持續(xù)了幾年的研究，要觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子，必須首先制備出合適的材料，隨后還有多個(gè)單位的配合。科學(xué)發(fā)現(xiàn)毫無(wú)疑問(wèn)是創(chuàng)新，但是長(zhǎng)期的積累和跨學(xué)科的合作非常重要。“中國(guó)人能夠跨出越來(lái)越多第一步，和我們?cè)谕度搿⒆孕判摹⒛贻p人發(fā)揮越來(lái)越大的作用有密切的關(guān)系。”