7月21日， Science上發(fā)表了一項重大成果：科學(xué)家宣布在凝聚態(tài)體系中發(fā)現(xiàn)了手性Majorana費米子的存在。這一發(fā)現(xiàn)，驗證了由意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana在80年前提出的預(yù)測——存在一類其反粒子為其自身的費米子。這將對現(xiàn)在的量子理論帶來巨大的改變。
該科研團隊由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆課題組、斯坦福大學(xué)張首晟課題組、上?？萍即髮W(xué)寇煦豐課題組等組成。張首晟教授將這一新發(fā)現(xiàn)稱為“天使粒子”，因為對于基礎(chǔ)物理界來說，這或?qū)㈤_啟一個新的時代。
80年漫長的尋覓
1928年，英國理論物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）從理念上預(yù)言了正電子的存在。1932年，美國物理學(xué)家安德森在研究宇宙射線時，無意間發(fā)現(xiàn)了正電子。從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。
但是，在1937年，也就是距今整整80年前，意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana做出一個大膽的理論預(yù)測：存在一類粒子，其反粒子為其自身。這個粒子被后來的物理學(xué)界稱為Majorana費米子，并和希格斯波色子、引力子、磁單極子等一起構(gòu)成物理學(xué)界苦心尋覓的神秘粒子。
意大利理論物理學(xué)家 Ettore Majorana
從那開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學(xué)領(lǐng)域中研究工作的崇高目標(biāo)。
粒子物理和凝聚態(tài)物理是物理學(xué)的兩大分支。此前粒子物理學(xué)家曾認為中微子可能是Majorana費米子，而且這一猜測有可能被“無中微子雙beta衰變”實驗所驗證。但目前國際上多個開展“無中微子雙beta衰變”實驗的研究組都尚未發(fā)現(xiàn)這一衰變現(xiàn)象，中微子是否Majorana費米子的問題尚懸而未決。
而在張首晟教授研究的凝聚態(tài)物理中，Majorana費米子有可能作為某些新奇量子基態(tài)上的準(zhǔn)粒子或元激發(fā)而存在。2010年到2015年之間，張首晟與其團隊連續(xù)發(fā)表三篇論文，精準(zhǔn)預(yù)言了在哪里能夠找到Majorana費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據(jù)。
建立在量子反?；魻栃?yīng)基礎(chǔ)上的成果
張首晟的團隊預(yù)言手性Majorana費米子存在于一種由量子反?；魻栃?yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。
張首晟團隊搜尋手性Majorana費米子的實驗平臺
在以往的量子反?；魻栃?yīng)實驗中，隨著調(diào)節(jié)外磁場，反常量子霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)出量子平臺，對應(yīng)著1，0，-1倍基本電阻單位e2/h。也就是說，量子世界里的電阻是量子化的，它只能整數(shù)倍地跳臺階。當(dāng)把普通超導(dǎo)體置于反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時，臨近效應(yīng)使之能夠?qū)崿F(xiàn)手性Majorana 費米子，相應(yīng)的實驗中會多出全新的量子平臺，對應(yīng)½倍基本電阻單位e2/h。
在后續(xù)的實驗驗證中，激動人心的成果出現(xiàn)了：王康隆等實驗團隊看到了“1/2的臺階”。 這半個基本電阻在某種意義上可以視為半個傳統(tǒng)粒子，因此，多出來的半整數(shù)量子平臺為手性Majorana費米子的存在提供了有力的印證。
實驗中出現(xiàn)的分數(shù)量子霍爾電導(dǎo)平臺
根據(jù)這一理論預(yù)言，來自UCLA（由何慶林、王康隆教授領(lǐng)導(dǎo)）和UC Irvine（由夏晶教授領(lǐng)導(dǎo)）的兩個實驗團隊與張首晟教授的理論團隊緊密合作，在實驗上觀測到了“1/2分數(shù)量子霍爾電導(dǎo)平臺”，發(fā)現(xiàn)了手性Majorana費米子。
基礎(chǔ)物理與應(yīng)用的“雙突破”
張首晟教授表示，天使粒子最重要的意義是改變了基礎(chǔ)物理，因為它改變了人們一直認知的正反對立的世界觀。天使粒子的發(fā)現(xiàn)，也是建立在量子反?；魻栃?yīng)以及拓撲絕緣體的基礎(chǔ)上。不僅如此，不同于其他基本科學(xué)從發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要多年時間，天使粒子已經(jīng)可以看到其實際應(yīng)用的前景。
一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲都能夠毀滅其量子特性。但Majorana費米子沒有反粒子，或者說相當(dāng)于半個傳統(tǒng)粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠的Majorana費米子上。
如此一來，傳統(tǒng)的噪聲極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進而毀滅所存儲的量子信息。相較于傳統(tǒng)的存儲方式，比如電子自旋，超導(dǎo)磁通和光子極化，這樣存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特，本質(zhì)上極其穩(wěn)固。
也就是說，Majorana費米子能夠用于構(gòu)造穩(wěn)固的拓撲量子計算機，使得有效的量子計算成為可能。張首晟表示，原先大家已經(jīng)認為量子是最小的單位，而天使粒子使得一個量子單位可以拆為兩半，讓量子變得更穩(wěn)定。
現(xiàn)在，這項科學(xué)已經(jīng)可以開始應(yīng)用。“谷歌和微軟已經(jīng)提供了支持，未來，在國內(nèi)也會開始進行應(yīng)用。”張首晟說。
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