寻找马约拉纳费米子：一桩物理学“悬案”终被破解

 
寻找马约拉纳费米子：一桩物理学“悬案”终被破解  
 

80多年前，意大利物理学家马约拉纳曾预测宇宙中存在一种神奇的粒子——马约拉纳费米子。然而，不知为何马约拉纳却神秘失踪，这种神秘粒子是否真的存在也就成了一桩“悬案”。后来，凝聚态物理学家将马约拉纳费米子的概念引入到固体材料中，即马约拉纳束缚态。由于它具有非阿贝尔统计的性质，可运用于拓扑量子计算机，因此，寻找马约拉纳费米子成为物理学界最前沿的研究热点。

近日，马约拉纳费米子“现身”了，主要发现者是中国科学院院士、中科院物理研究所研究员、中国科学院大学物理学院院长高鸿钧及其团队和中科院物理研究所研究员、中国科学院大学教授丁洪及其团队。

2018年8月17日，农历七月初七，七夕情人节。女生化好精致的妆容等候着下班与伴侣浪漫约会，每家餐馆门前都排起了“长龙”般的队伍，既有燕侣莺俦也有银发伉俪，大街小巷随处是玫瑰花的影子和香味……这一天，似乎空气中也布满了粉红色的泡泡。

天色渐晚，华灯初上。与外面热闹的世界不同，中科院物理所纳米物理与器件实验室N04组的房间里虽亦是灯火通明，但略显安静和“冷清”，只有范朋和一台庞大实验仪器还在工作着，他们“背靠背”通过4块电脑屏幕进行着无言的交流。

范朋是中国科学院大学2014级博士研究生（培养单位是中科院物理研究所），师从高鸿钧院士。他可能还未意识到，他们团队和中科院物理所研究员丁洪团队共同研究的一项重大成果正在引起一场爆炸式“轰动”，这可能是2018年中国物理学界送给国际物理学界最浪漫的“七夕礼物”。

小房间里孕育的“大”成果

这个礼物——首次在铁基超导材料中发现的马约拉纳束缚态（或称“零能模”、马约拉纳费米子），8月17日凌晨在线发表在science《科学》杂志上，范朋是第一作者之一。

位于中科院物理所A楼一楼的纳米物理与器件实验室，大约30平方米，高鸿钧团队自主设计、集成研制的极低温-强磁场-扫描探针显微系统占据着房间三分之二的空间，马约拉纳费米子就是在这个设备上观测到的。

1937年，意大利物理学家马约拉纳曾预测一种神奇的粒子：其反粒子就是它本身，人们便把这种神奇粒子称为“马约拉纳费米子”。然而，不久后，他便离奇失踪，再无踪迹，但他的预测真假与否却成了一桩“悬案”。

由于马约拉纳费米子具有一种极优的特性——当它以准粒子的形式出现在固体材料表面时，就会变成马约拉纳任意子（一种量子状态），这可以用来构造拓扑量子比特，应用于自容错、高稳定性的拓扑量子计算机。也就是说，如果成功，这将改写人类的历史。

不过，马约拉纳费米子是否真的存在，不同物理学家各持己见。直到2014年，丁洪团队与国外科学家合作发现了某些“蛛丝马迹”。2017年，将马约拉纳费米子命名为“天使粒子”的斯坦福大学讲习教授、美国科学院院士张首晟及其团队也进一步预测了出现马约拉纳束缚态可能合适的条件。

寻找马约拉纳费米子是物理学界最前沿的热点之一，许多物理学家都投入到相关研究中，竞争异常激烈。近年来，美国、荷兰、中国、丹麦等多个研究团队都曾宣称找到了马约拉纳任意子或者费米子的证据，但他们的实验，都需要构造工艺复杂的异质结构体系，并且需要极低温的条件。

高鸿钧和丁洪联合研究团队的观测结果被称为是一项里程碑式的发现，也成为人类攻克拓扑量子计算机难题中的重要一步。

它的价值很大。