祝賀！校友張首晟團隊發現「天使粒子」！

今天

校友張首晟團隊發現 「天使粒子」的新聞

刷爆復旦人的朋友圈

小編也來祝賀一下！

讓我們為不斷追尋真理的科學家們點贊！

張首晟

7月21日凌晨，張首晟及其團隊在美國科學雜誌上發表了一項重大發現：在整個物理學界歷經80年的探索之後，他們終於發現了手性Majorana費米子的存在。

這一發現，驗證了由義大利理論物理學家Ettore Majorana在80年前提出的預測——存在一類沒有反粒子的粒子。同時也證明了存在一種比量子還小的單位，這將對現在的量子理論帶來巨大的改變。

張首晟將這一新發現稱為「天使粒子」。非專業人士可能暫時難以理解這一發現，但是對基礎物理界來說，這或將開啟一個新的時代。

2016年12月17日，張首晟教授在第二屆「復旦科技創新論壇」上作報告。當時，他這樣開場：今天我非常有幸回到復旦大學。剛才大家聽了介紹，我也是改革開放之後第一屆的學生。1978年的時候，我入學來到復旦。當年我才15歲，還沒有讀過高中，就來到了復旦大學，所以今天看到年輕的同學們，也是非常的感到親切。我今天給大家做一個學術的報告，是講電子的高速公路。

80年漫長的尋覓

1928年，英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）提出了著名的狄拉克方程式。這一發現，從理念上預言了正電子的存在，狄拉克提出：宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子 。

狄拉克和刻在他墓碑上的方程

1932年，美國物理學家安德森在研究宇宙射線時，無意間發現了狄拉克預言的正電子。從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是永恆不變的真理。

目前，正電子也被廣泛應用到人類生活之中，醫學影像技術PET(Positron Emission Tomography, 正電子發射斷層掃描) 就是其中之一。

張首晟向鳳凰科技表示：「根據以往的認知，我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界。比如有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。」

但是，在1937年，也就是整整80年前，Ettore Majorana做出這樣一個大膽的猜測：會不會有一類沒有反粒子的粒子，或者說它們自身就是自己的反粒子。這個粒子被後來的物理學界稱之為Majorana費米子，並和希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。

Ettore Majorana

從那開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學中許多領域研究工作的崇高目標。

在物理學裡，存在兩大分支，分別是粒子物理和凝聚態物理。

在粒子物理中，標準模型範疇外的中微子被認為最可能是Majorana費米子，而且這一猜測是有可能被「無中微子的beta雙衰變」實驗所驗證。但這項實驗所要求的精度在今後的10年到20年以內都難以達到。

而在張首晟所研究的凝聚態物理中，Majorana費米子有可能作為某些新奇量子基態上的准粒子或元激發而存在。

在2010年到2015年之間，張首晟與其團隊連續發表三篇論文，精準預言了在哪裡能夠找到Majorana費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。

他們預言手性Majorana費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。

張首晟團隊搜尋手性Majorana費米子的實驗平台

在以往的量子反常霍爾效應實驗中，隨著調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台，對應著1，0，-1倍基本電阻單位。

當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近效應使之能夠實現手性Majorana 費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平台，對應?倍基本電阻單位。

實驗中出現的半量子電導平台

這半個基本電阻在某種意義上可以視為半個傳統粒子。所以，這多出來的半整數量子平台就提供了有力的證據，證明在時空中傳播的手性Majorana費米子的存在。

根據這一理論預言，來自UCLA（由何慶林、王康隆教授領導）和UC Irvine（由夏晶教授領導）的兩個實驗團隊與張首晟教授的理論團隊緊密合作，最終在所提出的器件中實驗上發現了手性Majorana費米子。

發現手性Majorana費米子

他們在通常的整數量子平台之外，探測到了張首晟團隊預言的半整數量子平台。隨後的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力的排除了其他可能的實驗雜訊與假象。

基礎物理與應用的「雙突破」

張首晟將發現的手性Majorana費米子稱為天使粒子，這一靈感來自於小說《天使與魔鬼》。在Dan Brown的這部小說中，正反粒子的碰撞會將所有質量以能量的形式釋放出，從而湮滅整個世界。

而天使粒子的發現，就好像發現了一個完美的世界，這裡只有天使，沒有魔鬼。

張首晟告訴鳳凰科技，天使粒子最重要的意義是改變了基礎物理，因為它改變了人們一直認知的正反對立的世界觀。

對於每一位物理學家來說，基礎物理的研究都是一段極為漫長的過程。一個重大的發現往往需要50年甚至100年的時間，有發現已經是幸運的。也有很多人，可能傾注畢生，最終也沒有所獲。

1927年第五次索爾維（Solvay）會議參與者

（攝於比利時索爾維國際物理研究所）

任何科學的發現，都是站在巨人的肩膀上。張首晟表示，天使粒子的發現，也是建立在量子反常霍爾效應以及拓撲絕緣體的基礎上。

不僅如此，不同於其他基本科學從發現到技術應用往往需要多年時間，天使粒子已經可以看到其實際應用的前景。

量子世界本質上是並行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子計算機能夠進行高度並行的量子計算，遠比經典計算機有效。

然而，一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環境雜訊都能夠毀滅其量子特性。但Majorana費米子沒有反粒子，或者說相當於半個傳統粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠的Majorana費米子上。

如此一來，傳統的雜訊極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進而毀滅所存儲的量子信息。相較於傳統的存儲方式，比如電子自旋，超導磁通和光子極化，這樣存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特，本質上極其穩固。

也就是說，Majorana費米子能夠用於構造穩固的拓撲量子計算機，使得有效的量子計算成為可能。

張首晟表示，原先大家已經認為量子是最小的單位，而天使粒子使得一個量子單位可以拆為兩半，讓量子變得更穩定。

現在，這項科學已經可以開始應用。「谷歌和微軟已經提供了支持，未來，在國內也會開始進行應用。」張首晟說。

從閣樓的孤獨到科學的輝煌

2005年，正值復旦大學百年校慶前夕，一位有心人向復旦校史館捐贈了一份畢業文憑。文憑主人叫張彝，是當時復旦公學的第二屆學生。這份簽發於1909年的畢業證書是我國目前存世的最早大學畢業文憑。這位有心人叫張首晟，張彝是他的祖父，在祖父畢業近70年後的一個秋天，他也踏進了復旦園，成為張家的第二個復旦人。不久後，張首晟遠涉重洋深造，在科研領域窮幽探微多年，如今憑藉高質量的科研成果以及多項物理學重量級獎項，成為躋身大洋彼岸物理學界頂級俱樂部的華裔科學家。

從復旦出發

1978年9月，復旦大學物理系迎來了一個沒有高中文憑的少年大學生。「初中時，在很封閉的情況下，我們都知道楊振寧、李政道獲得諾貝爾獎，為中華民族爭了一口氣。大學時選擇理論物理專業，就是沖著他們的榜樣力量。」張首晟如是說。走進物理系，距離偶像又近了一步，不過當年的他或許沒有想到，自己和偶像的緣分遠不止如此。

復旦的時光是快樂的，對於閣樓上的少年來說尤其如此:「在初中的時候，由於喜歡讀書，周圍的人都不以為然，我一直感覺很孤單。來到復旦之後，大家都如饑似渴地讀書，有了很多的好朋友。」張首晟說。那年，張首晟住在11號樓303室，一個寢室8個人，他的年紀最小。平日里看得最多的就是爭分奪秒地讀書，偶爾的課餘生活也成忙碌的學生生活的美好點綴。班上有海外關係的同學陳捷弄到了進口彩色膠捲，這在當年是金貴無比的稀罕玩意，但他還是毫不吝嗇地把它拿到學校和同學共享。這些彩色膠捲，留下了許多張首晟在復旦園裡珍貴的青春影像，他和陳捷也結成了莫逆之交，每逢對方赴美，一定住他家裡。

大學第一個學期就這樣愉快而匆匆地過去了。第二學期開始，一日，張首晟正在宿舍里自習，班主任突然上門，告知他將被選派前往德國柏林大學深造。張首晟高考成績優異，在當時已被列入留德學生的內定人選。

對張首晟來說，這個消息可謂天降喜訊。他對德國最初的印象，來自兒時啃過的那些哲學書籍，隱隱約約知道它是康德、黑格爾的祖國。「學了物理以後，發現教科書上重要的物理公式很多都是德國物理學家的貢獻，去德國留學對我來說像做夢一樣。」張首晟說。當年公派到德國的學生一律要在同濟大學接受為期一年的德語培訓。1980年，沒有來得及拿到復旦文憑的張首晟，正式踏上了赴德之旅。

鐫刻著物理公式的墓碑

張首晟到達西柏林時，戒備森嚴的柏林牆還高高聳立著。他所在的柏林自由大學是一部分老柏林大學出走的師生所創，與東柏林的老柏林大學（後稱洪堡大學）遙相對應。這所位於冷戰前哨的大學甫一成立，便以「真實，公平，自由」為校訓，更把「自由」二字嵌入校名。在這樣一所以自由著稱的學校里就讀，對於張首晟而言可謂如魚得水。外面的世界很精彩，但他沒有忘記自己的本分。柏林大學的學製為五年，不少人甚至花了七年才能畢業，但憑藉著出色的學習能力和勤奮，年輕的張首晟花了三年時間就完成了學業。學習之餘，他還花了不少時間深入了解德國乃至歐洲的人文歷史。

儘管學業順利，但理論物理的前途較窄，一度讓他對自己的未來感到迷惘。「本來我還挺有信心的，但同學之間的擔憂對我產生了影響，1981年左右，我開始想到前途問題。」張首晟說。就在當年暑假，他踏上了德國頗為流行的搭便車之旅，借著免費的順風車環繞了德國一周，這場如騎士一般的浪漫旅行對張首晟的人生選擇產生了重要影響。

一天，張首晟來到哥根廷大學附近的一片墓地。很多德國著名物理學家長眠於此，每個人的墓碑上，墓志銘都鐫刻著其生前發現的一道重要公式。如Heisenberg的墓志銘是Heisenberg測不準原理的公式，Max Born是其對波函數概率的一個分析，Otto Hahn的墓碑上是一道核反應公式，張首晟被深深地震撼了：「一個樸素的墓碑，一個簡單而普適的公式，這才是人生最高境界。從此之後，我決定要把自己畢生的精力貢獻給物理學研究，特別是理論物理學的研究。」成為一名科學家的神聖感和人生意義此刻內化為一種使命，一種激勵自己貢獻終生的精神源頭。

物理公式是美麗的詩句

在德國攻讀學位期間，張首晟開始思索自己的學術方向。當時，在他看來，物理學的最高目標是將愛因斯坦揭示的宇宙四大力統一起來，楊振寧先生在這方面頗有建樹，而他又是自己兒時的偶像，前往美國追隨楊振寧先生從事統一場研究便成為他念茲在茲的目標。

從柏林自由大學畢業後，張首晟被美國紐約州立大學石溪分校錄取，如願以償成為了楊振寧先生的弟子。一入門，他就迫不及待地向老師闡述他的學術構想。出乎意料的是，楊振寧先生並不支持他從事統一場論或基本粒子物理研究，而是向他推薦了凝聚態物理。這時凝聚態物理還是一個方興未艾的研究領域，楊振寧先生本人的研究方向也並不在此，老師的建議讓張首晟大惑不解。多年以後，張首晟才明白了楊振寧先生當初的良苦用心：「一般來說老師總是希望學生能夠發展自己的研究領域，楊振寧先生卻建議我從事其他領域的研究，他真的很無私。今天看來，凝聚態物理在物理學領域中發展得最快，這體現了他三十年前精準的眼光。」

而更讓張首晟得益匪淺的是，這位有著詩人氣質的科學家，帶領著他領略到了不一般的科研境界：「他告訴我，詩歌追求的境界是用兩句話將複雜的感情說清楚，科學也是追求用一個簡單的公式去描寫大自然的所有萬千現象。藝術和科學是相通的，『F=ma』、『E=MC2』就是描寫大自然的最美麗的詩句。」

導師的話，激活了張首晟對於藝術的啟蒙記憶。「為美所驅追求科學，真是一種最高的境界，楊振寧先生帶領我進入的境界，在書本上是學不到的。」張首晟感慨。在物理系系慶報告會上，張首晟展望物理學發展的未來，覺得隨著學科越來越專業化，隔行如隔山，而如要真正做出創新，科學家還需更高的視野。他舉例說，牛頓發現萬有引力，說明了三大力學定理，但當時理論物理根本沒有這個名詞，他那本奠定物理學基礎的書叫Mathematical Principles of Natural Philosophy，這是歷史上最成功的用數學語言來描寫大自然，體現著無與倫比的的美。「因為在最高的境界上，科學跟藝術，科學跟美，主觀、客觀是統一在一起的。」在這一點上，張首晟頗得導師的精神。師傅領進門，修行在個人，從基本粒子物理突然轉向凝聚態物理並非一件輕而易舉之事，好學而刻苦的張首晟做成了。

斯坦福最年輕的終身教授

1993年，張首晟進入斯坦福大學任教，不久後便頭角崢嶸，成為該校最年輕的終身教授之一。2010年憑藉「量子自旋霍爾效應」理論預言和在實驗觀測領域的開創性貢獻，榮獲歐洲物理獎，這是該獎項首次花落華裔科學家；2011年，因在物理學領域做出的卓越成就，榮膺美國藝術與科學院院士。2012年他先後獲得凝聚態物理領域的最高榮譽Oliver Buckle獎和國際理論物理學領域最高獎「狄拉克獎」（Dirac Medal）。

近年來俘獲大批中國粉絲的美劇《生活大爆炸》里，主角物理學家們的口中常常蹦出「拓撲絕緣體」的新名詞，就引用了張首晟科研組的研究成果，對於非物理專業人而言，從這個側面去了解他的科研影響力或許更為直觀。

不但在科研領域，張首晟在教學方面亦成績斐然。二十多年來，他培養的學生已遍布美國各大名校，其中不乏來自中國的面孔，畢業於母校復旦大學的劉勤是張首晟門下唯一一名女生。讓張首晟印象深刻的是一位在國內培養的「土博士」祁曉亮，他在斯坦福大學跟隨張首晟做了一年的博士後研究以後，意外收到美國多所名校向他遞出的橄欖枝，最後順利留美成為一名「洋教授」。

在張首晟日益精進的同時，中國也在發生著一日千里的變化。恢復公派留學生制度三十年後，國家正式實施「千人計劃」，面向海外延攬頂尖科研人才回國發展。許多當年從中國漂洋過海的優秀人才，在他鄉開花結果以後，開始迴流反哺故土。張首晟成為其中一員。現在，除了繼續擔任斯坦福教職以外，他還是清華大學高等研究院的一名教授，每年會在國內長待一段時間，從事科研並指導學生。他也常常回到母校復旦大學，在報告會上他說：「我希望我在有生之年，能夠用自己的努力，使中國能夠真正建成如世界第一流的像斯坦福這樣的學校。」

閣樓上的孤獨小孩、少年大學生、沒有文憑的復旦人、楊振寧的得意門生、最年輕的斯坦福終身教授、國家「千人計劃」入選者……，最讓他驕傲的身份，或許只是簡簡單單三個字——科學家。

原文節選自「復旦大學」微信公眾號，復旦大學校友會供稿，原標題：《美國國家科學院院士張首晟：從閣樓的孤獨到科學的輝煌》，有刪改。

責任編輯：馮文涵

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