祛魅“天使粒子”：轰动一时的物理突破竟只是平庸 “短路”

宣布“结束人类80年的漫长追寻”，旋即又陷入到2年多的争议。4位华人科学家发现正反同体“天使粒子”的成果，终于迎来了阶段性的判定。

1月3日，以美国宾夕法尼亚州立大学物理系助理教授常翠祖等为通讯作者的一篇论文在线发表在顶级学术期刊《科学》上。该团队在30多个样品上均未能找到“天使粒子”存在的证据，相反，此前所谓的“证据”可能用一种更为平庸的“短路”机制来解释。

常翠祖，山东潍坊人，2007年本科毕业于山东大学光学工程系，后进入清华大学师从薛其坤，2013年获得博士学位。在国际上首次发现量子反常霍尔效应的重磅成果，就是他深度参与并最早通过短信告知恩师的。随后，常翠祖作为麻省理工学院博士后重复了这一工作。

正反一体粒子

时间倒回到2017年7月，同样是在《科学》上，一篇题为《量子反常霍尔绝缘体-超导体结构中的手征马约拉纳费米子模》的论文出世，轰动一时，通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆。

这项工作，涉及到一种预言中的神秘粒子——马约拉纳费米子。物理学领域的基本粒子分为两种：费米子和玻色子，费米子包含电子、夸克等我们熟悉的组成物质的粒子。

1928年，物理学家保罗·狄拉克做出预测：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭，同时释放出一股能量。

1937年，意大利天才物理学家埃托雷·马约拉纳提供了另一种预测：应该有一些费米子，自己就是自己的反粒子，并可以用一个波动方程来描述。马约拉纳预测之后悄然失踪，给这一预言增添了神秘色彩。

80年后，同样有天才之名的张首晟给马约拉纳费米子起了个别名叫“天使粒子”，灵感来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我们找到了一个没有反粒子的粒子，一个只有天使，没有魔鬼的完美世界。”

电导“半个台阶”

何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆等人找到的决定性实验证据，是“半个台阶”，即半整数电导机制。

张首晟在2008年理论预言了量子反常霍尔效应，并在2013年被其好友、清华大学教授薛其坤团队证实。在实验中，随着调节外磁场，反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台，对应着1、0、-1倍基本电阻单位e2/ h。也就是说，它只能整数倍地“跳台阶”。

通常的粒子只能跳整个台阶，那么正反同体的马约拉那费米子从某种意义上算是“半个粒子”，会不会按半整数跳呢？1993年，麻省理工学院教授文小刚就预测在一些二维拓扑物态边界上会出现手征马约拉纳费米子模。

当加州大学洛杉矶分校王康隆团队把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时，确实看到了“半个台阶”，对应 1/2 倍基本电阻单位e2/ h。

成果三重争议

在广泛媒体报道之后，“天使粒子”成果陷入长期争议。

第一重争议：有没有发现真实的粒子？

其实，马约拉纳费米子一直有个“最佳嫌疑人”，就是中微子。不过，证明这一点需要进行无中微子的beta双衰变实验，人类暂时还没有能力达到相应的实验精度。因此，一些科学家将目光转向了凝聚态物理。

凝聚态物理学研究的是由大量粒子组成的凝聚态结构，一般无法直接观测到单个粒子。不过，固体材料（比如金属、非金属、半导体、超导体）内部的自由电子，在何时的磁场、压力、温度等外部条件下，会产生特定的集体活动趋势，仿佛是一个虚拟粒子。

这些“准粒子”，在合适的环境条件会表现出和真实粒子一样的物理规律，只是“附身”在固体材料上，可以视作粒子投射其上的魅影，即马约拉纳费米子模。

简化一点描述的话，真正的马约拉纳粒子是三维的，而虚拟的马约拉纳费米子模是一维的。

论文本身使用的是“手征马约拉纳费米子模”的专业表述，但媒体广泛使用了更为通俗的“马约拉纳粒子”这一提法，引起一些误解。

第二重争议：贡献分配“内讧”。在张首晟主导了成果的广泛曝光后，王康隆对其“喧宾夺主”有所不满。他公开表示，张首晟并未参与到实验中，直到论文发表前的3个月，张才要求成为文章的通讯作者。

2018年12月，张首晟因抑郁症在斯坦福大学坠楼身亡，关于“天使粒子”的公开讨论逐渐沉寂，然而，实验重复性这第三重争议，却始终暗流涌动。

该成果发布后，国际上多个研究组试图重复实验结果，但再未得到“天使粒子”的明确证据。一些理论认为，关键的半整数电导平台可能并非由手征马约拉纳费米子模造成，存在几种更为平庸的解释，包括材料边缘的“短路”问题。

事实上，“天使粒子”论文从投递到发表长达一年，据知情科研人员透露，《科学》审稿人确实有此种顾虑，要求王康隆团队尽力排除其他可能性后才最终接收。

祛魅

此次《科学》发表的负面结果论文，最终指向了“短路”这一平庸的机制。论文题为《在量子反常霍尔超导器件中缺乏手征马约拉纳费米子模的证据》。

仿照“天使粒子”论文的实验，宾夕法尼亚州立大学领导的联合团队制作了30多个普通超导体与反常量子霍尔效应薄膜组合的结构，发现当器件处于反常量子霍尔态且与磁化方向一致时，两端的电导始终呈现出半整数台阶。这与“天使粒子”论文实验中整数台阶与半整数台阶并存的结果不符。

文章认为，这种半量子化电导平台不太可能是由样本中的手征马约拉纳粒子导致的。该团队指出，此前的实验忽略了覆盖在反常量子霍尔效应薄膜上的超导体条会将两侧的反常量子霍尔绝缘体进行简单电学连接。换句话说，造成“短路”。这种短路才是“半个台阶”现象出现的根源。

80多年过去，马约拉纳费米子依然杳无踪迹。它一度在凝聚态物理学界的热门材料上闪现魅影，牵扯上拓扑量子计算的热点更显诱惑，但最终证实只是一场幻梦。