上海交大领衔的科研团队取得重大成果 成功捕获马约拉纳费米子

上海交大贾金锋教授在实验室工作。(上海交大供图)

■本报首席记者　姜澎

近日，上海交通大学科研团队在实验室里成功捕获到了一种物理学家寻找多年的神秘粒子———马约拉纳费米子。这种困扰了物理学界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。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教授贾金锋及其合作者的论文。

在全球几十个团队中，中国科学家联手胜出

今年初，上海交通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及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。“这是中国科学家联手攻关的产物。”上海交通大学校长、中科院院士张杰教授说。

粒子世界有两大家族，费米子家族和玻色子家族，它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子，组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。

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碰撞后，产生的能量会让它们瞬间湮灭。但是，80年前，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，即它们的反粒子就是它们自己，这种费米子被称为马约拉纳费米子。但没有人发现过这一费米子。

物理学家一直认为，中微子有可能就是一种马约拉纳费米子，但要证明这一点却并不容易。因为中微子本身没有能量，而物理学的粒子观测需要依靠能量。因此，尽管科学家努力多年，却一直没有进展，马约拉纳费米子只是作为一个优美的理论构造存在于理论家的脑海里。

加州理工大学教授、量子计算的倡导者阿历克谢·克塔夫提出，要实现量子计算，前提是要有non—Abelian任意子，而拓扑超导体中的马约拉纳费米子恰好是最简单的non—Abelian任意子。加之近年来中微子研究领域不断有所突破，因此，寻找马约拉纳费米子以及证明中微子就是马约拉纳费米子，成为全世界科学家竞争激烈的领域。

世界各国有几十个团队希望能够证明中微子就是马约拉纳费米子，美国、荷兰还设立了专门的基金。由于在量子计算方面的应用前景，微软公司也投入了大量研究经费。2010年以来，国际上的重要期刊已经刊登关于马约拉纳费米子的SCI文章近1万篇。而此次上海交大领衔的科学家团队，是首次发现这一粒子。

发现马约拉纳费米子，将有助于解释宇宙中各种未知的难题。据上海交大物理与天文学专业教授季向东介绍，现在有科学家认为，至今还没有被直接观测到的马约拉纳费米子，可以解释宇宙中暗物质和物质目前不守恒的原因。甚至有科学家认为，中性超对称费米子很可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质。因此，观测到马约拉纳费米子，对于揭开暗物质的谜团也许又进了一步。

不断地创新，才能带来科研上的突破

“寻找马约拉纳费米子的过程，就是不断突破、不断创新的过程。”贾金锋在接受记者采访时说。

2008年，傅亮和查尔斯·肯恩首次在理论上提出了拓扑超导异质结构中将存在马约拉纳费米子的学术思想。理论预言听起来容易，但在材料科学领域却是一大难题。由于在上方超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被探测到。

贾金锋课题组在大量实验基础上，没有按照大多数人的思路往下走，而是反其道而行之，最终在超导材料的上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，直接在薄膜表面观测到了马约拉纳费米子，这为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。而相关的结果也发表在2012年的《科学》杂志上。《科学》杂志审稿人评价这一成果为“材料科学的突破”和“巨大的实验成就”。

在马约拉纳费米子研究的最初阶段，没人知道这种神秘的粒子会以什么形式出现，贾金锋团队所能做的只是仔细搜寻拓扑超导体上的所有蛛丝马迹。虽然他们陆续找到了一些这种粒子存在的迹象，但一直不能最终确定这些迹象就一定代表马约拉纳费米子的本征特性。

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。“地球有南极和北极，同样，在磁性材料表面的不同位置处也有‘南’与‘北’，这就是材料的磁学性质。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，帮助我们找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的马约拉纳费米子。”

然而，马约拉纳费米子的磁性非常弱，要探测到它需要有更加灵敏、更低温度的扫描隧道显微镜。课题组在微结构科学与技术2011协同创新中心的成员单位南京大学找到了刚建成的40mK的扫描隧道显微镜系统。按照预先设计好的方案，在2015年底，贾金锋团队及其合作者终于直接观察到了马约拉纳费米子存在的有力证据。

在实验中，课题组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。此后，他们又与协同创新中心的另外一个成员单位浙江大学合作，进行理论计算等。

在2016年初，研究团队发现理论计算的结果完全支持实验观测到的结果。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现象。

至此，马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开，贾金锋表示，这是他们的实验首次观测到马约拉纳费米子的自旋相关性质，同时也提供了一种用相互作用调控马约拉纳费米子存在的有效方法，还为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接测量的办法。

在中科院院士、浙江大学教授张泽看来，这个持续了几年的研究，要观测到马约拉纳费米子，必须首先制备出合适的材料，随后还有多个单位的配合。科学发现毫无疑问是创新，但是长期的积累和跨学科的合作非常重要。“中国人能够跨出越来越多第一步，和我们在投入、自信心、年轻人发挥越来越大的作用有密切的关系。”