贾金锋：无人见过的神秘粒子，为何要“上天入地”去找它？| 星聚墨子（8）

在墨子沙龙和SELF讲坛联合举办的2016年创新大会上，中国科学院院士贾金锋，开展了一场题为《寻找马约拉纳费米子》的主题演讲。

我们用了数年时间找各种与普通超导体不一样的信号，对比它跟马约拉纳费米子的区别。因为没有人知道，马约拉纳费米子到底长得什么模样。

▲贾金锋院士近照 来源：澎湃新闻

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第一部分

让物理学界追寻八十余年的预言

埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana），英年早逝的天才科学家，他提出的马约拉纳费米子和他短暂的人生一样神秘。什么是马约拉纳费米子，我就从这个问题开始讲起。

▲物理学家马约拉纳（Ettore Majorana）于1906年8月出生，1938年失踪。提出马约拉纳方程，开创性研究中微子质量理论，费米评价其科学贡献可与伽利略、牛顿比肩。 来源：physicsworld

要了解马约拉纳费米子，先要了解什么是费米子。大家理解的粒子，可能是原子、分子，物质世界由原子、分子组成的，原子分子是能够保持物质性质最小的基本单元。比原子分子更小的、组成我们物质世界的单元，叫作基本粒子。

如何研究基本粒子？保罗·狄拉克（Paul Dirac）这位天才科学家，他把这些粒子分成两类，一类叫费米子，一类叫玻色子。玻色和费米都是非常伟大的科学家，为了纪念他们，所以用他们的名字命名了这两类基本粒子。

▲保罗·狄拉克（Paul Dirac），英国理论物理学家，量子力学的奠基者之一。 来源：墨子沙龙

狄拉克预言，每种基本粒子都存在反粒子。电子是一种费米子，它的反粒子就是正电子。

在这之后，又有一位伟大的科学家马约拉纳，在狄拉克方程的基础上做了一个预想。他预想存在一种粒子，它的正反粒子是同样的。反粒子和自己一样的费米子，就被称为马约拉纳费米子。

为什么要找马约拉纳费米子？一方面马约拉纳作为一个天才科学家，他的预言本身就很重要，找到就可以证明这个理论。另外，有理论预言，暗物质的备选粒子也是马约拉纳费米子，如果能够找到马约拉纳费米子，也有助于人们理解暗物质。

▲2015年12月，中国成功发射暗物质粒子探测卫星“悟空”，为暗物质直接和间接探测提供了大量线索。来源：中国科学院紫金山天文台

另一方面，也更重要的是，找到马约拉纳费米子后，可以做拓扑量子计算。马约拉纳费米子除了在理论上、基础研究上有重要性之外，在实际应用中也很重要。

马约拉纳费米子是一种准粒子，不是像电子、质子一样的真的粒子。

在凝聚态物理中，只有电子和原子核。如果把很多个电子、原子按照某种形式组合在一块，就有了特殊的性质。这个特殊的性质和马约拉纳费米子一样，同样遵从马约拉纳方程，它不是由单独一个粒子组成，是由很多的电子、原子“DIY”的。准粒子不属于基本粒子，而是从大量基本粒子的复杂相互作用中产生，表现得像是一个粒子一样。

▲粒子物理学标准模型中的17种基本粒子。准粒子不属于基本粒子。来源：Fermilab Visual Media Services.

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第二部分

从“无”到“有”：神秘粒子被中国科学家“捕获”

马约拉纳费米子存在于拓扑超导的材料里，它是拓扑绝缘体发现以后，人们发现的另外一种物质的状态。这是一种新型的超导体，在它表面会存在马约拉纳费米子。

实际上，自然界中我们发现了成千上万种超导体，没有一种是拓扑超导体。还好，我们知道拓扑绝缘体的材料。按照理论预言，把拓扑绝缘体和超导体放在一起，就可以再组合成拓扑超导体，这样，我们就可以寻找马约拉纳费米子了。

超导体并不容易，我们把扫描隧道显微镜和分子束外延结合在一起，这二者使我们的材料制备达到了世界领先水平。有了这些技术以后，我们找出了拓扑超导体，并通过巧妙设计，把拓扑超导体设计成有利于实验观察的样子。

▲贾金锋教授与学生在实验室 来源：上海交通大学

扫描隧道显微镜是目前唯一能够在实空间里面看见真实原子的显微镜，它的放大倍数非常大。它的原理相当于用手指触摸物体表面，感受原子的起伏。但实际上不是用手指，而是用非常尖的针，当针从物体表面划过时，测量针和亚米原子之间的电流，针和亚米原子之间近的时候，电流大，远的时候电流就小，这样就可以记录物体表面的高低起伏，寻找原子。另外，这个针还有磁性，可以将有磁性的原子和没磁性的原子区别开来。因此，这个显微镜既可观察物体表面结构，也可观测其磁性。这就是自旋极化扫描隧道显微镜。有了它和拓扑超导体材料，就可以开始研究。

找到拓扑超导体以后，我们用了数年时间找各种与普通超导体不一样的信号，对比它跟马约拉纳费米子的区别。因为没有人知道，马约拉纳费米子到底长得什么模样。

摸索数年以后，我们终于做出了拓扑超导样品，在这个样品上观察到了自旋极化电流，它确实是由马约拉纳费米子产生的。通过这个观察，我们证明了马约拉纳费米子的存在。

▲人造拓扑超导体 来源：上海交通大学

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第三部分

不止于证明：它或将敲开拓扑量子计算大门

马约拉纳费米子最重要的应用是量子计算。想把所有的量子比特纠缠起来，在相当长的时间之内完成量子计算很困难，有很多噪音杂质的影响。为了克服这些影响，人们提出拓扑量子计算，利用它的拓扑性质，来保护量子比特不受干扰。

但拓扑量子计算是一个假想出来的方案，这个方案需要一种叫作任意子的，臆想出来的粒子。自然界中不存在它，好在我们找到的马约拉纳费米子就是一种任意子，它是实现拓扑量子计算的方法。

▲弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）于20世纪80年代提出“任意子”概念，其命名取自“一切都会发生”之意。

我们希望把马约拉纳费米子弄清楚，用它来做拓扑量子计算。自从能在凝聚态中实现马约拉纳费米子以后，各国已投入资源开始布局，马约拉纳费米子的研究进展非常快。我们能够率先找到马约拉纳费米子，是非常幸运的，希望能够在国家的支持下，接着往前走，找出用马约拉纳费米子做的量子比特，再进一步实现拓扑量子计算。

内容整理：诗学