华人科学家张首晟团队发现“天使粒子” 量子计算成为可能

1928年，物理学家保罗·狄拉克做出了惊人的预测：宇宙中的每个基本粒子都有一个反粒子，但是所携带电荷相反。当粒子和反粒子相遇时，它们将会被湮灭，释放出一股能量。果不其然，几年后，第一个反物质粒子——电子的正电荷，正电子——被发现，反物质迅速成为流行文化的一部分。

但在1937年，另一位辉煌的物理学家埃托雷·马约拉纳则带来了一个新的转折：他预言，在称为费米子的粒子类中，存在没有反粒子的粒子，或者说正反同体的粒子。

现在，斯坦福大学科学家在内组成的一个团队已经发现了马约拉纳费米子存在的第一个证据。这个证据是在加利福尼亚大学与斯坦福大学合作的一系列实验中发现。该团队由加州大学尔湾分校副教授Jing Xia和UCLA教授Kang Wang领衔，并按照其同事兼斯坦福大学物理学教授张首晟及其同事提出的计划。该团队7月20日在《科学》上公布其结果。

“我们的团队预测了在哪里可以找到马约拉纳费米子以及寻找‘确凿证据’的实验特征。” 研究论文的资深作者之一及理论物理学家张首晟说，“这个发现总结了基础物理学中最密集的搜索之一，跨越了80年。”

尽管对著名的费米子的搜寻似乎比实际更加智能化，但他补充说，诚然这还在遥远的未来，但它对构建稳健的量子计算机具有现实意义。

研究团队观察到的特别类型的马约拉纳费米子被称为“手性”费米子，因为它沿着一个方向在一维通路移动。研究人员表示，尽管产生的实验非常难以设想、建立和实施，但它们产生的信号是清晰无误的。

“这项研究对多年来追寻手性马约拉纳费米子达到顶点。这将是该领域的一个里程碑，”斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)主任Tom Devereaux在SLAC国家加速器实验室说，张首晟是该实验室首席调查员。

“这似乎是对新事物的一个非常清楚的观察。”麻省理工学院的理论物理学家和诺贝尔奖获得者弗朗克·韦尔切克(没有参与这项研究)表示，“这根本不奇怪，因为物理学家早就想到了这个实验中使用的材料种类可能会产生马约拉纳费米子。但是他们把几个从未被放在一起的元素组合在一起，并且工程化的东西使得这种新型的量子粒子能够以一种清楚、稳固的方式被观察到，这是一个真正的里程碑。”

搜寻“准粒子”

马约拉纳的预测仅适用于不含电荷的费米子，如中子和中微子。 科学家已经发现了一个中子的反粒子，但他们有很好的理由相信中微子可能是自己的反粒子，在新墨西哥州还有四个实验正在进行，包括EXO-200。但是，这些实验非常困难，预计十年左右不会得到答案。

大约10年前，科学家们意识到，在探索材料物理学的实验中，也可能会产生马约拉纳费米子，一场竞赛也随之开始。

他们一直在寻找的是“准粒子”——由超导材料中电子的集体行为产生的粒子激发，其以100%的效率传导电力。根据爱因斯坦著名的方程E = mc2，产生这些准粒子的过程类似于能量在空间真空中，转成短寿命的“虚拟”粒子并再次成为能量的方式。虽然准粒子不像自然界中发现的颗粒，但它们仍然被认为是真正的马约拉纳费米子。

在过去五年中，科学家们通过这种方法取得了一些成功，报告说他们在涉及超导纳米金属线的实验中，有希望看到有马约拉纳费米子的特征。

但是在这些情况下，准粒子被“束缚”——固定在一个特定的地方，而不是在空间和时间上传播，而且很难判断其他影响是否能让研究人员看到的信号。

“确凿证据”

在加州大学洛杉矶分校和UC-Irvine的最新实验中，团队将两个量子材料的薄膜(超导体和磁拓扑绝缘体)堆叠在一起，并将其中的电流全部送入冷藏真空室。

顶级薄膜是超导体。底部是一种拓扑绝缘体，其仅沿其表面或边缘传导电流，但不通过其中间。将它们放在一起形成了一种超导拓扑绝缘体，电子沿着材料表面的两个边缘拉动而没有阻力，如高速公路上的汽车。

张首晟的想法是通过添加少量的磁性材料来调整拓扑绝缘体。这使得电子沿着表面一个边缘单向流动，反之亦然。

然后，研究人员在堆叠上扫过一块磁铁。这使得电子的流动变慢，停止并切换方向。这些变化并不顺利，但是突然的步骤上就发生了，就像楼梯上相同的台阶一样。

在这个周期的某些时刻，马约拉纳准粒子出现，成对地出现在超导层之外，像电子一样沿拓扑绝缘体的边缘传播。每对的一个成员偏离了路径，允许研究人员轻松测量保持向前的单个准粒子的流动。像电子一样，它们减慢速度，停止并改变了方向——但是步进的速度恰好是电子所占的一半。

这些一半步进速度是研究人员一直在寻找的确凿证据。

斯坦福大学物理学教授乔治·格雷塔(Giorgio Gratta)教授在设计和规划EXO-200方面发挥了重要作用， 他补充说：“更有趣的是物理学中的类比证明非常强大。 即使他们是不同的野兽，不同的过程，也许我们可以用一个理解另一个。 也许我们会发现对我们有趣的事情。”

天使粒子

张首晟表示，在遥远的未来，马约拉纳费米子可以用来构建强大的量子计算机，而这些量子计算机并没有被环境干扰所抛弃，这是其发展的重大障碍。由于每个马约拉纳基本上是亚原子粒子的一半，所以信息量可以单独存储在两个广泛分开的马约拉纳费米子中，减少了一些可能一次扰乱它们的机会，并使它们丢失了它们所携带的信息。

现在，他提出了他的团队发现的手性马约拉纳费米子的名字：“天使粒子”，来源于2000年畅销惊悚小说《天使与恶魔》，书中一个秘密兄弟会情节，用定时炸弹炸毁梵蒂冈爆，爆炸力量来自反物质湮灭。与书中不同，张首晟指出，在“量子世界”中，只有天使——没有恶魔。