央廣網(wǎng)上海6月22日消息(記者吳善陽(yáng))近日，上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里成功捕捉到了一種物理學(xué)家尋找多年的神秘粒子——馬約拉納費(fèi)米子。這種粒子既是困擾物理學(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)》（Physical Review Letters）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)賈金鋒教授及其合作者的論文：“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor”。通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，賈金鋒研究團(tuán)隊(duì)率先觀測(cè)到了在渦旋中的馬約拉納費(fèi)米子的蹤跡。在過(guò)去的80年里，粒子物理學(xué)家一直在搜尋馬約拉納費(fèi)米子，這次中國(guó)科學(xué)家成功“探測(cè)”到了它的蹤跡，也許離人類跨入量子計(jì)算時(shí)代的夢(mèng)想會(huì)邁進(jìn)一大步。

　　揭開困擾物理學(xué)界80年的神秘粒子“面紗”

　　在物理學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家把構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位叫做“基本粒子”，它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是構(gòu)成各種各樣物質(zhì)的原材料。

　　在粒子世界里，住著兩大家族：費(fèi)米子家族（如電子、質(zhì)子）和玻色子家族（如光子、介子），它們分別以物理學(xué)家費(fèi)米和玻色的名字命名。一般認(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，費(fèi)米子和它的反粒子就像一對(duì)長(zhǎng)相一模一樣，但脾氣完全相反的雙胞胎兄弟，兩兄弟一見(jiàn)面就“大打出手”，產(chǎn)生的能量甚至?xí)�讓它們瞬間湮滅。

　　然而在1937年，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。兩兄弟站在一起就像照鏡子，可以說(shuō)，它們的反粒子就是自己本身，這種費(fèi)米子被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型里的中微子是一種可能的馬約拉納費(fèi)米子。但是，令科學(xué)家十分頭疼的是，要證明這一點(diǎn)卻是非常的困難，必須觀察到一種所謂的無(wú)中微子雙貝塔衰變的現(xiàn)象。盡管科學(xué)家做了很多努力，但在過(guò)去的近80年中，物理學(xué)家一直都未找到馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)。

　　2016年初，中國(guó)的科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了這類神秘粒子存在的跡象。上海交通大學(xué)大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)。

　　“事實(shí)上，我們所發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子并不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上的粒子，而是一種準(zhǔn)粒子，但它同樣符合馬約拉納的預(yù)言。準(zhǔn)粒子是凝聚態(tài)物理中一個(gè)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，也就是說(shuō)把傳統(tǒng)意義上的某種粒子的集體行為的某些表現(xiàn)，看作是一個(gè)粒子的行為（即準(zhǔn)粒子）。這樣可以大大簡(jiǎn)化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象的物理機(jī)理�！辟Z金鋒介紹說(shuō)，粒子和準(zhǔn)粒子的關(guān)系就像球員和球隊(duì)的關(guān)系：一支足球隊(duì)中每個(gè)球員可以看作是傳統(tǒng)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復(fù)雜的相互作用，雖然每個(gè)球員都有自己的特色，但整體上球隊(duì)卻會(huì)表現(xiàn)出來(lái)一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)格。例如西班牙國(guó)家隊(duì)可以用傳控足球風(fēng)格來(lái)描述，意大利國(guó)家隊(duì)則是體現(xiàn)了一種防守反擊戰(zhàn)術(shù)。我們可能不了解隊(duì)中每個(gè)球員的特點(diǎn)以及球員之間的配合情況，但是他們整支球隊(duì)卻像一個(gè)準(zhǔn)粒子一樣可以比較簡(jiǎn)單地被認(rèn)識(shí)。

　　也有科學(xué)家一直認(rèn)為，至今還沒(méi)有被直接觀測(cè)到的中性超對(duì)稱費(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)，而這種中性超對(duì)稱費(fèi)米子可能就是一種馬約拉納費(fèi)米子。因此，觀測(cè)到復(fù)合的馬約拉納費(fèi)米子，對(duì)于揭開暗物質(zhì)的謎團(tuán)也許又進(jìn)了一步。

　　“原子指南針”探測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子存在的關(guān)鍵證據(jù)

　　近80年來(lái)，各國(guó)科學(xué)家從來(lái)沒(méi)有停止對(duì)馬約拉納費(fèi)米子的尋找，幾年前理論物理學(xué)家預(yù)言，馬約拉納費(fèi)米子很有可能在拓?fù)涑瑢?dǎo)體的渦旋中心能找到，然而，自然界中至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體，那么賈金鋒團(tuán)隊(duì)又是怎樣使馬約拉納費(fèi)米子“露面”的呢？

　　“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。理論預(yù)言，在拓?fù)浣^緣體上面放置超導(dǎo)材料就能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)。這件事情聽(tīng)起來(lái)容易，但卻在材料科學(xué)領(lǐng)域是一大難題。而且，由于在上方的超導(dǎo)材料的覆蓋，馬約拉納費(fèi)米子很難被探測(cè)到�！辟Z金鋒說(shuō)，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，他們沒(méi)有按照大多數(shù)人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最終，把超導(dǎo)材料放在了下面，使它上方“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，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費(fèi)米子從“暗處”翻到了“明面”上，觀察起來(lái)更方便了，為尋找馬約拉納費(fèi)米子奠定了重要的材料基礎(chǔ)。

　　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)的研究人員所能做的只是仔細(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)，他立刻敏銳地意識(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。目前，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)擁有的儀器還達(dá)不到所需要的低溫（40mK，比絕對(duì)零度只高0.04K）。怎么辦？他們一方面積極為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)備，摸索樣品生長(zhǎng)條件，準(zhǔn)備磁性針尖等。另一方面，他們四處聯(lián)絡(luò)，尋找有條件的單位。結(jié)果很幸運(yùn)，在微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)2011協(xié)同創(chuàng)新中心內(nèi)，發(fā)現(xiàn)南京大學(xué)剛剛建設(shè)一臺(tái)40mK的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，可以為該實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)充分的實(shí)驗(yàn)條件。隨后，團(tuán)隊(duì)研究人員按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案，用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在“人造拓?fù)涑瑢?dǎo)薄膜”表面的渦旋中心進(jìn)行了仔細(xì)測(cè)量。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)�！霸趯�(shí)驗(yàn)中，我們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，他們又很快與協(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的現(xiàn)象。至此，馬約拉納費(fèi)米子的神秘面紗終于被揭開，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。

　　或在拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域大展身手

　　找到馬約拉納費(fèi)米子意味著什么？意味著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了一個(gè)重大突破，同時(shí)也意味著在固體中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算成為可能。這個(gè)發(fā)現(xiàn)或?qū)⒁�發(fā)新一輪電子技術(shù)的革命，使人類進(jìn)入拓?fù)淞孔佑?jì)算的時(shí)代。

　　與普通計(jì)算機(jī)通過(guò)二進(jìn)制方式處理數(shù)據(jù)不同，量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子物理機(jī)理處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。它對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度驚人，如果把量子計(jì)算機(jī)比作飛機(jī)的話，那么普通計(jì)算機(jī)只能算是自行車。使用普通計(jì)算機(jī)需要耗費(fèi)巨大計(jì)算資源才能勉強(qiáng)處理的問(wèn)題，在量子計(jì)算機(jī)看來(lái)是小菜一碟。

　　以天氣預(yù)報(bào)為例，由于現(xiàn)有技術(shù)的局限，現(xiàn)在人們對(duì)天氣的預(yù)測(cè)不可能達(dá)到每次都非常準(zhǔn)確。如果使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算天氣數(shù)據(jù)，不僅能瞬間運(yùn)算海量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也會(huì)大大提高。當(dāng)然，精確地預(yù)測(cè)天氣對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)還不算什么，它能對(duì)海量已經(jīng)合成的新材料，甚至還能對(duì)未合成的概念材料進(jìn)行系統(tǒng)、精確、高效地計(jì)算，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的進(jìn)步。而科學(xué)家們預(yù)期馬約拉納費(fèi)米子就是制造量子計(jì)算機(jī)的完美選擇之一。

　　據(jù)介紹，迄今還沒(méi)有制造出真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)很重要的原因是，目前用于量子計(jì)算的粒子的量子態(tài)并不穩(wěn)定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應(yīng)進(jìn)行的計(jì)算。而馬約拉納費(fèi)米子的反粒子就是自己本身，它的狀態(tài)非常穩(wěn)定。這些屬性或許使量子計(jì)算機(jī)的制造變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)關(guān)鍵，從而幫助人類敲開拓?fù)淞孔佑?jì)算時(shí)代的大門。