世界物理学界探寻了近80年“天使粒子”———手性马约拉纳费米子，终于被三位华人科学家领衔的研究团队“捕获”。北京时间昨天凌晨，美国加州大学洛杉矶分校教授王康隆、斯坦福大学教授张首晟、上海科技大学教授寇煦丰团队联袂在美国《科学》杂志发表这一重大发现。

  这一成果由加州大学洛杉矶分校王康隆、何庆林实验团队主导。他们在题为　《量子反常霍尔绝缘体—超导体结构中的手性马约拉纳费米子模式》的论文中宣称，成果验证了由意大利理论物理学家马约拉纳80年前提出的预测———存在一类没有反粒子的粒子，同时也证明了存在一种比量子还小的单位，这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

    实验灵感来自张首晟的预言

  1928年，英国理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)提出了著名的狄拉克方程式，即宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。这一预言在1932年被美国物理学家安德森在研究宇宙射线时证明。从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。

  但是，1937年马约拉纳提出猜测：会不会有一类没有反粒子的粒子，或者说它们自身就是自己的反粒子。这种粒子后来被物理学界称为马约拉纳费米子。自那时起，许多科学家一直在寻找这样的粒子。

  当代物理学存在两大热门分支，即粒子物理和凝聚态物理。

  据张首晟介绍，在粒子物理中，标准模型范畴外的中微子被认为最可能是马约拉纳费米子，而且这一猜测有可能被“无中微子的beta双衰变”实验所验证。但这项实验所要求的精度或许在今后一二十年内都难以达到。

  而在凝聚态物理中，马约拉纳费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。

  2010年至2015年，张首晟团队连续发表三篇论文，精准预言了在哪里能够找到马约拉纳费米子，继而指出哪些实验信号能够作为确凿的证据。

  参与此课题的寇煦丰教授昨天在接受本报记者采访时提到，加州大学洛杉矶分校和上海科技大学团队正是在张首晟2015年理论工作的基础上获得了灵感，通过与加州大学尔湾分校和斯坦福大学团队的紧密合作，制备出量子反常霍尔效应薄膜和超导体薄膜组成的混合器件，并在实验中成功捕捉到了手性马约拉纳费米子的存在。　

  他们在通常的整数量子平台之外，探测到了张首晟团队预言的半整数量子平台。随后的强磁场实验与三端电阻测量有力地排除了其他可能的实验噪声与假象。

    改写基础理论，应用前景可期

  根据著名的爱因斯坦质能方程式E=mc2，当一个粒子遇上它的反粒子时，它们会相互湮灭从而将所有质量释放出来成为能量。丹·布朗的小说及同名电影《天使与魔鬼》就描述过这种正反粒子湮灭爆炸的场景。而马约拉纳费米子则没有正反之分，这也是为什么张首晟称此次发现的是“天使粒子”的原因。他认为，“天使粒子”最重要的意义是改变了基础物理中有正必有反的理论，也改变了人们一直认知的正反对立的世界观。

  而且，不同于其他基本科学从发现到技术应用往往需要历时多年，张首晟昨天在接受记者采访时表示，“天使粒子”实际应用的前景可期。

  量子世界本质上是并行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。然而，一个量子比特的信息存储起来非常困难，微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。但马约拉纳费米子没有反粒子，马约拉纳费米子本身只相当于半个传统粒子，这便提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。

  如此一来，传统的噪声极难同时以同样方式影响这两个马约拉纳费米子，进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统存储方式，比如电子自旋、超导磁通和光子极化，存储在远离的两个马约拉纳费米子上的拓扑量子比特，本质上极其稳固。

  张首晟团队所提出的器件同时还是二维体系，从而允许马约拉纳费米子的纠缠和编辫，使得有效的量子计算成为可能。

  “事实上，不论此次发现的马约拉纳粒子，还是我们曾经发现的马约拉纳费米子，都不是传统意义上的粒子，而是一种准粒子，但它同样符合马约拉纳的预言。”上海交通大学教授贾金锋在接受记者采访时说。

  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。而且，恰恰是这类准粒子，才会产生实际的应用，而自然存在的粒子的发现则更多地能够满足人类对自然的理解。”

(文章来源：《文汇报》2017年7月22日头版)

附：同日解放日报头版文章     预言80年的特殊粒子找到了

荐稿人：lry   2017-07-22    执行编辑：zjy  2017-07-22    责任编辑：tmy  2017-07-23