4位中科院院士“站臺”，校長親自出席發佈會。6月22日下午，上海交通大學宣佈，該校賈金鋒教授科研團隊在實驗室裏成功捕捉到了一種物理學家尋找多年的神秘粒子——馬約拉納費米子。這種粒子既是困擾物理學界80多年的正反粒子同體的特殊費米子，也是未來製造量子電腦的可能候選對象。
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》（Physical Review Letters）線上發表了上海交通大學賈金鋒教授及其合作者的論文。通過巧妙的實驗設計，賈金鋒研究團隊率先觀測到了在渦旋中的馬約拉納費米子的蹤跡。
困擾物理學界80年的神秘粒子
在物理學領域，科學家把構成物質的最小、最基本的單位稱為基本粒子。在粒子世界裏，住著兩大家族：費米子家族（如電子、質子）和玻色子家族（如光子、介子），它們分別以物理學家費米和玻色的名字命名。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就像一對長相一模一樣，但脾氣完全相反的雙胞胎兄弟，兩兄弟一見面就“大打出手”，産生的能量甚至會讓它們瞬間湮滅。
然而在1937年，義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自己長相一樣，脾氣也完全相同。可以説，它們的反粒子就是自己本身，這種費米子被稱為馬約拉納費米子。粒子物理標準模型裏的中微子是一種可能的馬約拉納費米子。但是，要證明這一點卻非常困難——必須觀察到一種所謂的無中微子雙貝塔衰變現象。過去近80年中，物理學家一直都未找到馬約拉納費米子存在的證據。
2016年初，中國的科學家終於發現了這類神秘粒子存在的跡象。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。
“事實上，我們所發現的馬約拉納費米子並不是一個傳統意義上的粒子，而是一種準粒子，但它同樣符合馬約拉納的預言。”賈金鋒表示。
“準粒子是凝聚態物理中一個重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，也就是説把傳統意義上的某種粒子的集體行為的某些表現，看作是一個粒子的行為（即準粒子）。這樣可以大大簡化模型，便於正確表述某些具體物理現象的物理機理。”賈金鋒介紹，粒子和準粒子的關係就像球員和球隊的關係——一支足球隊中每個球員可以看作是傳統意義上的粒子，球員之間相互配合可以看作是粒子之間的非常複雜的相互作用，雖然每個球員都有自己的特色，但整體上球隊卻會表現出來一個統一的風格。“我們可能不了解隊中每個球員的特點以及球員之間的配合情況，但是他們整支球隊卻像一個準粒子一樣可以比較簡單地被認識”。
“原子指南針”探測到馬約拉納費米子存在的關鍵證據
賈金鋒團隊是怎樣使馬約拉納費米子“露面”的呢？
“理論預言，在拓撲絕緣體上面放置超導材料就能實現拓撲超導。這件事情聽起來容易，但卻在材料科學領域是一大難題。而且，由於在上方的超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被探測到。”賈金鋒説，在大量實驗基礎上，他們沒有按照大多數人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最終，把超導材料放在了下面，使它上方“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，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費米子從“暗處”翻到了“明面”上，為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎。
2014年年底，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。“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徵，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。”賈金鋒説。
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。在微結構科學與技術2011協同創新中心內，團隊發現南京大學剛剛建設一台40mK的掃描隧道顯微鏡系統，可以為該實驗提供了一個充分的實驗條件。
2015年年底，賈金鋒團隊及其合作者終於直接觀察到了馬約拉納費米子存在的有力證據。“在實驗中，我們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”。
2016年年初，研究團隊發現理論計算的結果完全支援實驗觀測到的結果。通過反覆對比實驗，發現只有馬約拉納費米子才能産生這種自旋極化電流的現象。至此，馬約拉納費米子的神秘面紗終於被揭開。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。
《物理評論快報》的審稿人評價稱，作者報告了在人造拓撲超導體中用自旋極化掃描隧道顯微鏡對馬約拉納費米子進行的探測。他們的實驗結果證明了文獻中理論預言的由馬約拉納費米子引起的自旋選擇性的隧穿。“總之，實驗結果是清楚和可信的，提供了一個直接觀測神秘的馬約拉納費米子的實驗方法”。
或在拓撲量子計算領域大展身手
找到馬約拉納費米子意味著什麼？賈金鋒説，這意味著人類在量子物理學領域取得了一個重大突破，同時也意味著在固體中實現拓撲量子計算成為可能。這個發現或將引發新一輪電子技術的革命，使人類進入拓撲量子計算的時代。
與普通電腦通過二進位方式處理數據不同，量子電腦是一種基於量子物理機理處理數據的電腦。它對數據的處理速度驚人，使用普通電腦需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題，在量子電腦看來是小菜一碟。
以天氣預報為例，由於現有技術的局限，現在人們對天氣的預測不可能達到每次都非常準確。如果使用量子電腦來計算天氣數據，不僅能瞬間運算海量數據，預測的準確性也會大大提高。當然，精確地預測天氣對於量子電腦來説還不算什麼，它能對未合成的概念材料進行系統、精確、高效地計算，為材料科學領域帶來革命性的進步。而科學家們預期，馬約拉納費米子就是製造量子電腦的完美選擇之一。
迄今沒有製造出真正意義上的量子電腦很重要的一個原因是，目前用於量子計算的粒子的量子態並不穩定，電磁干擾或物理干擾可以輕鬆打亂它們本應進行的計算。而馬約拉納費米子的狀態非常穩定。這些屬性或許使量子電腦的製造變成現實的一個關鍵，從而幫助人類敲開拓撲量子計算時代的大門。
