賈金鋒：無人見過的神秘粒子，為何要“上天入地”去找它？| 星聚墨子（8）

在墨子沙龍和SELF講壇聯合舉辦的2016年創新大會上，中國科學院院士賈金鋒，開展了一場題為《尋找馬約拉納費米子》的主題演講。

我們用了數年時間找各種與普通超導體不一樣的信號，對比它跟馬約拉納費米子的區別。因為沒有人知道，馬約拉納費米子到底長得什么模樣。

▲賈金鋒院士近照 來源：澎湃新聞

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第一部分

讓物理學界追尋八十余年的預言

埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana），英年早逝的天才科學家，他提出的馬約拉納費米子和他短暫的人生一樣神秘。什么是馬約拉納費米子，我就從這個問題開始講起。

▲物理學家馬約拉納（Ettore Majorana）于1906年8月出生，1938年失蹤。提出馬約拉納方程，開創性研究中微子質量理論，費米評價其科學貢獻可與伽利略、牛頓比肩。 來源：physicsworld

要了解馬約拉納費米子，先要了解什么是費米子。大家理解的粒子，可能是原子、分子，物質世界由原子、分子組成的，原子分子是能夠保持物質性質最小的基本單元。比原子分子更小的、組成我們物質世界的單元，叫作基本粒子。

如何研究基本粒子？保羅·狄拉克（Paul Dirac）這位天才科學家，他把這些粒子分成兩類，一類叫費米子，一類叫玻色子。玻色和費米都是非常偉大的科學家，為了紀念他們，所以用他們的名字命名了這兩類基本粒子。

▲保羅·狄拉克（Paul Dirac），英國理論物理學家，量子力學的奠基者之一。 來源：墨子沙龍

狄拉克預言，每種基本粒子都存在反粒子。電子是一種費米子，它的反粒子就是正電子。

在這之后，又有一位偉大的科學家馬約拉納，在狄拉克方程的基礎上做了一個預想。他預想存在一種粒子，它的正反粒子是同樣的。反粒子和自己一樣的費米子，就被稱為馬約拉納費米子。

為什么要找馬約拉納費米子？一方面馬約拉納作為一個天才科學家，他的預言本身就很重要，找到就可以證明這個理論。另外，有理論預言，暗物質的備選粒子也是馬約拉納費米子，如果能夠找到馬約拉納費米子，也有助于人們理解暗物質。

▲2015年12月，中國成功發射暗物質粒子探測衛星“悟空”，為暗物質直接和間接探測提供了大量線索。來源：中國科學院紫金山天文臺

另一方面，也更重要的是，找到馬約拉納費米子后，可以做拓撲量子計算。馬約拉納費米子除了在理論上、基礎研究上有重要性之外，在實際應用中也很重要。

馬約拉納費米子是一種準粒子，不是像電子、質子一樣的真的粒子。

在凝聚態物理中，只有電子和原子核。如果把很多個電子、原子按照某種形式組合在一塊，就有了特殊的性質。這個特殊的性質和馬約拉納費米子一樣，同樣遵從馬約拉納方程，它不是由單獨一個粒子組成，是由很多的電子、原子“DIY”的。準粒子不屬于基本粒子，而是從大量基本粒子的復雜相互作用中產生，表現得像是一個粒子一樣。

▲粒子物理學標準模型中的17種基本粒子。準粒子不屬于基本粒子。來源：Fermilab Visual Media Services.

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第二部分

從“無”到“有”：神秘粒子被中國科學家“捕獲”

馬約拉納費米子存在于拓撲超導的材料里，它是拓撲絕緣體發現以后，人們發現的另外一種物質的狀態。這是一種新型的超導體，在它表面會存在馬約拉納費米子。

實際上，自然界中我們發現了成千上萬種超導體，沒有一種是拓撲超導體。還好，我們知道拓撲絕緣體的材料。按照理論預言，把拓撲絕緣體和超導體放在一起，就可以再組合成拓撲超導體，這樣，我們就可以尋找馬約拉納費米子了。

超導體并不容易，我們把掃描隧道顯微鏡和分子束外延結合在一起，這二者使我們的材料制備達到了世界領先水平。有了這些技術以后，我們找出了拓撲超導體，并通過巧妙設計，把拓撲超導體設計成有利于實驗觀察的樣子。

▲賈金鋒教授與學生在實驗室 來源：上海交通大學

掃描隧道顯微鏡是目前唯一能夠在實空間里面看見真實原子的顯微鏡，它的放大倍數非常大。它的原理相當于用手指觸摸物體表面，感受原子的起伏。但實際上不是用手指，而是用非常尖的針，當針從物體表面劃過時，測量針和亞米原子之間的電流，針和亞米原子之間近的時候，電流大，遠的時候電流就小，這樣就可以記錄物體表面的高低起伏，尋找原子。另外，這個針還有磁性，可以將有磁性的原子和沒磁性的原子區別開來。因此，這個顯微鏡既可觀察物體表面結構，也可觀測其磁性。這就是自旋極化掃描隧道顯微鏡。有了它和拓撲超導體材料，就可以開始研究。

找到拓撲超導體以后，我們用了數年時間找各種與普通超導體不一樣的信號，對比它跟馬約拉納費米子的區別。因為沒有人知道，馬約拉納費米子到底長得什么模樣。

摸索數年以后，我們終于做出了拓撲超導樣品，在這個樣品上觀察到了自旋極化電流，它確實是由馬約拉納費米子產生的。通過這個觀察，我們證明了馬約拉納費米子的存在。

▲人造拓撲超導體 來源：上海交通大學

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第三部分

不止于證明：它或將敲開拓撲量子計算大門

馬約拉納費米子最重要的應用是量子計算。想把所有的量子比特糾纏起來，在相當長的時間之內完成量子計算很困難，有很多噪音雜質的影響。為了克服這些影響，人們提出拓撲量子計算，利用它的拓撲性質，來保護量子比特不受干擾。

但拓撲量子計算是一個假想出來的方案，這個方案需要一種叫作任意子的，臆想出來的粒子。自然界中不存在它，好在我們找到的馬約拉納費米子就是一種任意子，它是實現拓撲量子計算的方法。

▲弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）于20世紀80年代提出“任意子”概念，其命名取自“一切都會發生”之意。

我們希望把馬約拉納費米子弄清楚，用它來做拓撲量子計算。自從能在凝聚態中實現馬約拉納費米子以后，各國已投入資源開始布局，馬約拉納費米子的研究進展非常快。我們能夠率先找到馬約拉納費米子，是非常幸運的，希望能夠在國家的支持下，接著往前走，找出用馬約拉納費米子做的量子比特，再進一步實現拓撲量子計算。

內容整理：詩學