上海交大捕获全球苦寻80年神秘粒子，或敲开量子计算机大门

一种物理学家80年前就已预言却一直苦寻无果的“神秘粒子”——马约拉纳费米子，近日被上海交通大学科研团队在实验室成功捕获。

6月22日，上海交大举行新闻发布会，公布人类在量子物理学领域取得的这一重大突破。

美国东部时间6月21日（北京时间6月22日），国际顶级物理学刊物《物理评论快报》在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合作者的论文《Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor》。

通过巧妙的实验设计，贾金锋研究团队率先观测到了在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹。在过去的80年里，粒子物理学家一直在搜寻马约拉纳费米子，这种粒子既是困扰物理学界80多年的正反粒子同体的特殊费米子，也是未来制造量子计算机的可能候选对象。

中外物理学家评价称，这或将引发新一轮电子技术的革命，制造出性能远超普通计算机的量子计算机，使人类进入拓扑量子计算的时代。

神秘粒子困扰物理学界80年

贾金锋介绍称，在物理学领域，科学家把构成物质的最小、最基本的单位叫做“基本粒子”，它们是构成各种物质的原材料。

粒子世界里住着两大家族：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子），分别以物理学家费米和玻色的名字命名。

“一般认为，每一种粒子都有它的反粒子，费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样，但脾气完全相反的双胞胎兄弟，两兄弟一见面就‘大打出手’，产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。”贾金锋说。

然而在1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样，脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子，可以说，它们的反粒子就是自己本身，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。

但是，令科学家十分头疼的是，要证明这一点非常困难，在过去近80年中，物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。

直至2016年初，上海交大学贾金锋教授研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组，南京大学李绍春研究组，美国麻省理工学院傅亮教授等合作形成的研究团队，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据。“事实上，我们所发现的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子，而是一种准粒子，但它同样符合马约拉纳的预言。”

贾金锋介绍，准粒子是凝聚态物理中一个重要概念，它是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法，可大大简化模型，便于正确表述某些具体物理现象的物理机理。

贾金锋说，粒子和准粒子的关系就像球员和球队的关系：一支球队中每个球员可看作是传统意义上的粒子，虽然每个球员都有自己的特色，但整体上球队却会表现出来一个统一的风格。

“原子指南针”探测到马约拉纳费米子存在关键证据

几年前，有理论物理学家预言，马约拉纳费米子很有可能在拓扑超导体的涡旋中心能找到，然而，自然界中至今仍未发现拓扑超导体。贾金锋团队如何使马约拉纳费米子“露面”？

“理论预言，在拓扑绝缘体上面放置超导材料就能实现拓扑超导。这件事情听起来容易，但却在材料科学领域是一大难题。而且，由于在上方的超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被探测到。”贾金锋说，他们反其道而行之，将超导材料放在拓扑绝缘体下面，使它上方“生长”出拓扑绝缘体薄膜，让薄膜表面变成拓扑超导体，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上，使观察更方便，为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。

2014年底，一篇理论文章预言了马约拉纳费米子的磁学性质，贾金锋立刻敏锐地意识到，可以用自旋极化的扫描隧道显微镜，来探测马约拉纳费米子。“自旋极化的扫描隧道显微镜的针尖具有磁性，它就像一个‘原子指南针’，能够准确地探测一个原子的磁性特征，帮助我们找到隐藏的马约拉纳费米子。”

在南京大学刚建成的一台扫描隧道显微镜系统帮助下，团队研究人员用自旋极化的扫描隧道显微镜，在“人造拓扑超导薄膜”表面的涡旋中心进行了仔细测量。2015年底，贾金锋团队及其合作者直接观察到了马约拉纳费米子存在的有力证据。

“在实验中，我们观察到了由马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流， 这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。” 贾金锋说。

2016年初，研究团队通过反复对比实验，发现只有马约拉纳费米子才能产生这种自旋极化电流的现象。至此，马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开。

或使人类进入拓扑量子计算时代

找到马约拉纳费米子意味着什么？研究团队表示，这意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破，同时也意味着在固体中实现拓扑量子计算成为可能。这个发现或将使人类进入拓扑量子计算的时代。

据团队物理专家介绍，量子计算机处理数据的速度惊人，如果把量子计算机比作飞机的话，那么普通计算机只能算是自行车。以天气预报为例，如使用量子计算机来计算天气数据，能瞬间运算海量数据，大大提高预测的准确性。

量子计算机还能对海量已经合成的新材料，甚至还能对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地计算，为材料科学领域带来革命性的进步。而科学家们预期，马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。

贾金锋表示，迄今还没有制造出真正意义上的量子计算机，其中一个很重要的原因是，目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，它的状态非常稳定。这些属性或许使量子计算机的制造变成现实的一个关键，从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。

对于贾金锋研究团队的发现，美国科学院院士、MIT讲席教授Patrick Lee称这是一个旷世之作，“这是第一个研究涡旋中马约拉纳态自旋相关特性的实验。实验数据定性地与理论预期符合，这强烈地说明马约纳拉态的存在。这个工作打开了一个研究马约拉纳物理的新窗口，将一定会带来更多的理论和实验进展。”

科学突破奖获得者、拓扑理论新星、MIT教授Liang Fu说，这个实验除了证明马约拉纳费米子像理论预言的那样存在，还第一次研究了它不同寻常的自旋特性。更重要的是，他们在非常小的磁场下发现了马约拉纳费米子，这说明拓扑绝缘体-超导体异质结是一个非常可靠的材料平台，并具有可能的器件应用前景，这将毫无疑问地在这个激动人心的领域里激发更多的工作。