「馬約拉納費米子」被發現？論文作者和凝聚態物理學家們沒這麼說

科技 07-23

編者按：

昨天一天，果殼科學人的編輯也被「天使粒子被發現」刷了屏，原本這也是最新科研成果進入大眾視野的又一次絕好案例，然而通過研讀發表在Science上的原論文，以及對論文作者和相關領域科學家們的採訪，我們發現，一些媒體報道的「開啟新時代」、「歷史性的突破」、「遲早要得到諾貝爾獎」的研究，和科學家們眼中的「一項不錯的工作」在事實細節上存在著很大的出入。果殼網科學人認為，科學報道的第一原則是事實準確，而後才是「搞個大新聞」。通過對論文作者以及凝聚態物理學家們的採訪，看看專業人士是怎麼評論這項研究的。

從昨天早上開始，關於「天使粒子被發現」的報道就刷爆了各個媒體網路。這些報道的研究，發表於今天的《科學》雜誌（Science）上。

這篇論文有個非常學術而高冷的標題——《量子反常霍爾效應絕緣體-超導體結構中的手性馬約拉納費米子模》（Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator– superconductor structure）。

圖片來源：Science

這篇文章中所描述的實驗由加州大學洛杉磯分校的王康隆團隊（UCLA Device Research Lab (Kang Wang Group)）主導，上海科技大學合作，並由加州大學歐文分校、加州大學戴維斯分校協助、斯坦福大學團隊的參與。實驗中觀測到了馬約拉納費米子模存在的證據，同時又極大程度上排除了其他因素的影響，成為馬約拉納准費米子存在的有力證據。

文章的第一作者，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的何慶林是這樣解釋這次研究的：「本次研究是利用了反常量子霍爾絕緣體（quantum anomalous Hall insulator）與超導體（superconductor）的耦合機制而形成一種新的拓撲量子態，稱為拓撲超導體（topological superconductor）。UCLA團隊利用分子束外延技術，製備了只有6納米厚的反常量子霍爾絕緣體薄膜，然後在表層沉積超導體後將樣品冷卻至接近絕對零度，通過外加電場和磁場的調控，測試樣品的量子電導，來證明了具有馬約拉納費米子激發的輸運態，並且世界上首次實現其粒子的量子化，因此此工作是世界上首次實驗證明這種粒子存在的最有力的證據。

「今年早些時候，上海交通大學的賈金鋒團隊也發表了關於『發現馬約拉納費米子』（The discovery of Majorana fermion）的工作。賈教授團隊的工作是馬約拉納費米子的零維版，主要通過掃描顯微鏡測試；我們研究的是馬約拉納費米子的一維版，主要是做成電子器件來進行宏觀電磁測試。

「理論上，馬約拉納費米子應當出現量子化現象，但包括目前世界上還沒有報道這一現象，而我們組是第一個做出來的量子化現象。」

自左至右依次為：何慶林，王康隆，潘磊。供圖：何慶林

馬約拉納費米子是什麼？

又是馬約拉納費米子，又是馬約拉納費米子模，又是馬約拉納准費米子。物理學家們到底到底在說些什麼？

這篇文章的共同一作，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的潘磊表示：

「馬約拉納費米子本來是一個高能物理概念，是一種有質量的基本粒子，很多人認為中微子就是馬約拉納費米子。這裡要說明，現在所有的發現都不是真正發現了馬約拉納費米子，而是發現了符合馬約拉納費米子性質的激發態。」

電子科技大學副教授李小飛向果殼網科學人介紹：

「粒子物理學標準模型認為，基本粒子有費米子和玻色子兩大類，費米子構成物質並通過交換玻色子發生相互作用。依據超對稱性原理，所有的費米子都存在反粒子，比如正電子就是電子的反粒子。

「隨著量子力學的發展，義大利物理學家埃托里·馬約拉納（Ettore Majorana）於1937年提出，可能存在反粒子就是其本身的費米子，稱為『馬約拉納費米子』（Majorana fermion）。然而，實驗上至今沒有找到馬約拉納費米子。

埃托雷·馬約拉納。圖片來源：維基百科

「實際上，大量粒子的集體運動模式具有粒子性，稱為『准粒子』或者『集體激發』，比如晶格的熱振動模式就被叫作『聲子』。凝聚態物理學家認為，調控固體材料中大量電子的集體運動模型，可以獲得『准』馬約拉納費米子。在2010年至2015年間，張首晟團隊連續發表了多篇論文，闡述了利用磁場調控由量子反常霍爾效應薄膜和超導薄膜構成的混合器件中的電子集體運動模式，通過是否存在半整數量子化電導平台來判定這種准粒子的存在。

「這次實驗成功測量到了這個半整數量子化電導平台，充分證實了這種馬約拉納准費米子的存在。這次實驗在量子信息學等應用領域具有重要的現實意義，為馬約拉納費米子的存在提供了有力證據，極大地增強了人們尋找信心。」

麻省理工大學物理學教授、凝聚態物理學家文小剛說：

「之前，人們就已經在有自旋軌道耦合的超導體中發現了以准粒子激發的形式存在的馬約拉納費米子，但當時它被叫做另外一個名字：玻戈留玻夫（Bogoliubov）准粒子。超導體中的准馬約拉納費米子，或玻戈留玻夫准粒子的確和暗物質的一個候選粒子有點像，即自己是自己的反粒子。作為基本粒子的或超導體中的馬拉約納費米子是能在三維跑的。這次的工作發現的是在一維跑馬拉約納費米子。是很不一樣的東西。」

中科院物理研究所研究員戴希說：

「當代凝聚態物理中的涉及到的這些所謂『新粒子』，無論是外爾費米子還是馬約拉納費米子，都是在『准粒子』或『元激發』意義上講的。與粒子物理中研究的『真實粒子』相比，其科學意義體現在不同的方面。粒子物理中發現的新粒子讓我們對宇宙的歷史和未來形成更深刻的理解，而凝聚態裡面的這些新『准粒子』，則給我們操控和利用它們提供了巨大的可能性，在不久的未來有可能造福人類。」

復旦大學物理系教授施郁表示：

「歸根到底，這還是固體材料中的電子的行為。但是，大量電子在固體的環境（原子核陣列以及外部條件比如磁場所形成的複雜勢能）以及它們自己之間的相互作用下，可以簡潔地用所謂「准粒子」來描述，也就是說這裡的大量電子的表現就像在最低能量的狀態基礎上，激發出大量「准粒子」。為了強調這些「准粒子」是在新的層次上演生出來，而它們在其所在的環境中就類似我們的宇宙中的基本粒子，我們還可以稱它們為『演生粒子』。

「現在，實驗團隊在某個特定固體環境中，找到了類似馬約拉拉納費米子的演生粒子。所謂『找到』，是說導電行為必須要用馬約拉納費米子來解釋。

「這次他們發現的馬約拉納費米子是在二維磁性拓撲絕緣體與超導體的一維邊界，這導致它是手征性的，也就是說沿著一個方向跑。」

重慶大學物理學院教授胡自翔表示：

「馬約拉納費米子是馬約拉納本人在1937年解狄拉克方程猜出來的，反粒子是其自身的特點是它最奇特之處。物理學家80年來一直在尋找這種神奇的粒子，粒子物理中的中微子有可能是馬約拉納費米子，但其驗證十分困難。

「凝聚態物理學家發現在一些特定的凝聚態系統中的集體激發會出現具有馬約拉納性質的零模。例如填充因子5/2的分數量子霍爾效應中的准粒子激發，拓撲超導體內渦旋激發等。

「近年來在反常量子霍爾效應等對實驗條件要求相對較低的系統出現後，人們發現一些界面系統，如超導與拓撲絕緣體異質結等能發現這種零模。去年上海交大的賈金鋒研究組的實驗和這次的實驗採用的正是這種系統。」

潘磊同時還表示：

「我們此次發現的一大基礎是利用了反常量子霍爾效應，這是中國科學院物理研究所研究員、清華大學教授薛其坤於2013年發表在《科學》雜誌（Science）上的重大發現。」

這項發現的應用價值是什麼？

那麼，發現這種准粒子的存在有什麼意義？可以應用到哪些領域裡去？

潘磊在採訪中表示：「雖然沒有發現馬約拉納費米子，但是只要符合馬約拉納費米子的性質，就有可能用來實現拓撲量子計算。

「拓撲量子計算機（Topological Quantum Computer）的優勢在於，它對外在雜訊的抵抗力比普通的量子計算機更強，更具魯棒性。最近幾年，隨著『拓撲量子計算機』概念的出現，馬約拉納費米子受到了廣泛的關注。」

何慶林告訴我們：「我們已經成功探測到這種粒子；下一步我們將製備出電子晶元，實現基於這一粒子為基礎的拓撲量子計算機電腦晶元。」

南開大學物理學院教授孟新河評論：「這次的發現意義重大，至少在人工製備/調控、操縱量子態領域取得了巨大進展，肯定對量子信息領域有重要影響，對量子信息科學發展和應用幫助極大。」

胡自翔在採訪中表示：「馬約拉納費米子未來可能會應用於拓撲量子計算領域，因為馬約拉納零模受到系統的拓撲保護，可以用來構造具有容錯功能的量子計算機。目前微軟，IBM等知名企業已經投入了大量的資金來研究量子計算機，微軟公司去年已經宣布了拓撲量子計算機的原型，馬約拉納在其中具有十分重要的作用。」

科學家們是如何評價這項發現的？

雖然並沒有如媒體所說「結束了80年的追尋」，這次的發現仍然十分重要，科學家們也對研究團隊及其工作給出了肯定的評價。

「這是一個很不錯的工作，」文小剛教授說，「1993年我在《物理評論快報》（Physics Review Letters）上發表的文章中，預言了一維手征馬約拉納費米子可以出現在非阿貝爾量子霍爾態的邊界上。1999年，Read-Green預言了一維手征馬約拉納費米子可以出現在二維手征p波超導體的邊界上。這次的新工作發現了一個具體的界面系統，其可模擬或者實現二維手征p波超導體，從而也實現了一維手征馬約拉納費米子。Read-Green的工作之後，大家一直想實現二維手征p波超導體及其邊界上的一維手征馬約拉納費米子。這次終於做到了。」

潘磊在採訪中告訴果殼網科學人：「我們的實驗可以說是首次最有力地證明馬約拉納費米子模（Majorana fermion mode）存在於拓撲超導體中。之前的實驗偏向於用STM/STS（STM：掃描隧道顯微鏡；STS：掃描隧道譜）等手段來甄別，這就可能有其他平庸的解釋（即表現的像Majorana fermion mode，但實際確另有原因）；而我們的工作是基於馬約拉納費米子模在一維輸運方面的特殊性質（區別於之前的零維實驗），基本上除了馬約拉納費米子模找不到其他原因來解釋，這也是我們文章中重點討論的一部分，即排除其他可能性，所以說實驗更加乾淨。」

實驗配置方式。圖片來源：論文原文

施郁接受採訪時表示：「這支團隊的工作將理論與實驗結合了起來。」

戴希評論說：「在這次的新實驗中，在樣品的邊緣，真正實現了一個具有手性的一維馬約拉納型准粒子系統，跟之前主要通過譜學手段發現的馬約拉納零能模有很大的不同。並且在一點上超越了之前的工作，即他們在輸運實驗上真正看到了一個霍爾效應的半整數平台，這是存在馬約拉納型准粒子的一個重要理論預言，這次真的觀察到了。

「他們的主要結果其實一年多前就有了，但是Science的審稿人非常專業，建議他們做了好幾個補充實驗，用以排除其他可能性，現在的結果應該是可信度頗高的。

」在輸運實驗中看到嚴格的半個量子平台，其科學意義比之前譜學實驗中的零能峰又前進了一大步，因為譜學實驗的峰寬，峰高，都不是量子化的，一些其他物理效應也可能導致零能峰的出現，而且在一個有一定寬度的零能峰里除了真正的馬約拉納零能模以外，還可能夾雜著其他低能准粒子峰，從而導致馬約拉納零能模的所謂『准粒子中毒』，不利於進一步操控實驗的開展。

「因此，從這個意義上說，這個新實驗會在科學史上佔有一個重要地位，不過能不能拿諾獎就不好說了，畢竟離實際操控馬約拉納模，以實現拓撲量子計算還有很長的距離要走。」

致謝：清華大學交叉信息研究院量子信息中心助理研究員尹璋琦博士、中科院物理所副研究員羅會仟博士對此文亦有幫助，一併致謝。

編輯：吳歐

排版：婉珺

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本文來自果殼網

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