人类终于证实,马约拉纳费米子

希格斯玻色子、引力波,这几年的物理学界捷报连连,尽管大多数人不知道这些发现意味着什么,顶多多了一个高频词汇或者多了一项谈资,不求甚解。一篇名为《量子反常霍尔效应绝缘体—超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》的论文发表在本月20日的《Science》杂志上。一个名叫“天使粒子”的名词开始刷屏,各大媒体争相报道,“80年的追踪终于找到”“拓扑量子计算机”“诺奖候选”等等标签统统贴上,并且宣称该发现“结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻”。

编者按:昨天一天,果壳科学人的编辑也被“天使粒子被发现”刷了屏,原本这也是最新科研成果进入大众视野的又一次绝好案例,然而通过研读发表在Science上的原论文,以及对论文作者和相关领域科学家们的采访,我们发现,一些媒体报道的“开启新时代”、“历史性的突破”、“迟早要得到诺贝尔奖”的研究,和科学家们眼中的“一项不错的工作”在事实细节上存在着很大的出入。果壳网科学人认为,科学报道的第一原则是事实准确,而后才是“搞个大新闻”。通过对论文作者以及凝聚态物理学家们的采访,看看专业人士是怎么评论这项研究的。

事实上,就连科研团队本身,都未曾声称找到了这个没有反粒子“正反同体”的着名的“马约拉纳费米子”,而是将之称为“马约拉纳费米子模”,一字之差,大有文章,是“粒子”与“准粒子”的差别,也是粒子物理和凝聚态物理的差别,或者按照参与人员张首晟教授的话来说,这次的发现是马约拉纳费米子存在的“铁证”,但是铁证与真正的马约拉纳费米子之间还有距离。

从昨天早上开始,关于“天使粒子被发现”的报道就刷爆了各个媒体网络。这些报道的研究,发表于今天的《科学》杂志(Science)上。

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这篇论文有个非常学术而高冷的标题——《量子反常霍尔效应绝缘体-超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》(Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator– superconductor structure)。

马约拉纳费米子有没有被找到?

图片来源:Science

答案:没有!只是证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,是世界上首次实验证明这种粒子存在的有力证据。

这篇文章中所描述的实验由加州大学洛杉矶分校的王康隆团队(UCLA Device Research Lab (Kang Wang Group))主导,上海科技大学合作,并由加州大学欧文分校、加州大学戴维斯分校协助、斯坦福大学团队的参与。实验中观测到了马约拉纳费米子模存在的证据,同时又极大程度上排除了其他因素的影响,成为马约拉纳准费米子存在的有力证据。

文章的第一作者、加州大学洛杉矶分校的何庆林是这样解释这次研究的:“本次研究是利用了反常量子霍尔绝缘体与超导体的耦合机制而形成一种新的拓扑量子态,称为拓扑超导体。UCLA团队利用分子束外延技术,制备了只有6纳米厚的反常量子霍尔绝缘体薄膜,然后在表层沉积超导体后将样品冷却至接近绝对零度,通过外加电场和磁场的调控,测试样品的量子电导,来证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,因此此工作是世界上首次实验证明这种粒子存在的有力证据。”

文章的第一作者,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的何庆林是这样解释这次研究的:“本次研究是利用了反常量子霍尔绝缘体(quantum anomalous Hall insulator)与超导体(superconductor)的耦合机制而形成一种新的拓扑量子态,称为拓扑超导体(topological superconductor)。UCLA团队利用分子束外延技术,制备了只有6纳米厚的反常量子霍尔绝缘体薄膜,然后在表层沉积超导体后将样品冷却至接近绝对零度,通过外加电场和磁场的调控,测试样品的量子电导,来证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,因此此工作是世界上首次实验证明这种粒子存在的最有力的证据。

何庆林的解释充满了各种专业名词,但抛开复杂的理论与技术来看,其意思就是“本项研究的重点就是实验中观测到了马约拉纳费米子模存在的证据,同时又极大程度上排除了其他因素的影响,成为马约拉纳准费米子存在的有力证据”。也就是说,这项研究提供了证据证明“马约拉纳费米子是存在的”,但是至今仍未能发现它。

“今年早些时候,上海交通大学的贾金锋团队也发表了关于‘发现马约拉纳费米子’(The discovery of Majorana fermion)的工作。贾教授团队的工作是马约拉纳费米子的零维版,主要通过扫描显微镜测试;我们研究的是马约拉纳费米子的一维版,主要是做成电子器件来进行宏观电磁测试。

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“理论上,马约拉纳费米子应当出现量子化现象,但包括目前世界上还没有报道这一现象,而我们组是第一个做出来的量子化现象。”

“天使粒子”究竟是什么?

自左至右依次为:何庆林,王康隆,潘磊。供图:何庆林

答案:并不是真正的粒子,更不是所谓的基本粒子,而是“准粒子”,是作为固态系统中简化多体问题的手段之一而引入的数学模型。

 

实际上,此次宣布发现的“马约拉纳费米子”并不是真正的粒子,更不是所谓的基本粒子,而是“准粒子”,是作为固态系统中简化多体问题的手段之一而引入的数学模型。例如,常见的准粒子的例子还包括,为了描述固态系统中原子震动的传播而引入的“声子”。

马约拉纳费米子是什么?

又是马约拉纳费米子,又是马约拉纳费米子模,又是马约拉纳准费米子。物理学家们到底到底在说些什么?

这篇文章的共同一作,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的潘磊表示:

“马约拉纳费米子本来是一个高能物理概念,是一种有质量的基本粒子,很多人认为中微子就是马约拉纳费米子。这里要说明,现在所有的发现都不是真正发现了马约拉纳费米子,而是发现了符合马约拉纳费米子性质的激发态。”

 

电子科技大学副教授李小飞向果壳网科学人介绍:

“粒子物理学标准模型认为,基本粒子有费米子和玻色子两大类,费米子构成物质并通过交换玻色子发生相互作用。依据超对称性原理,所有的费米子都存在反粒子,比如正电子就是电子的反粒子。

“随着量子力学的发展,意大利物理学家埃托里·马约拉纳(Ettore Majorana)于1937年提出,可能存在反粒子就是其本身的费米子,称为‘马约拉纳费米子’(Majorana fermion)。然而,实验上至今没有找到马约拉纳费米子。

埃托雷·马约拉纳。图片来源:维基百科

“实际上,大量粒子的集体运动模式具有粒子性,称为‘准粒子’或者‘集体激发’,比如晶格的热振动模式就被叫作‘声子’。凝聚态物理学家认为,调控固体材料中大量电子的集体运动模型,可以获得‘准’马约拉纳费米子。在2010年至2015年间,张首晟团队连续发表了多篇论文,阐述了利用磁场调控由量子反常霍尔效应薄膜和超导薄膜构成的混合器件中的电子集体运动模式,通过是否存在半整数量子化电导平台来判定这种准粒子的存在。

“这次实验成功测量到了这个半整数量子化电导平台,充分证实了这种马约拉纳准费米子的存在。这次实验在量子信息学等应用领域具有重要的现实意义,为马约拉纳费米子的存在提供了有力证据,极大地增强了人们寻找信心。”

 

麻省理工大学物理学教授、凝聚态物理学家文小刚说:

“之前,人们就已经在有自旋轨道耦合的超导体中发现了以准粒子激发的形式存在的马约拉纳费米子,但当时它被叫做另外一个名字:玻戈留玻夫(Bogoliubov)准粒子。超导体中的准马约拉纳费米子,或玻戈留玻夫准粒子的确和暗物质的一个候选粒子有点像,即自己是自己的反粒子。作为基本粒子的或超导体中的马拉约纳费米子是能在三维跑的。这次的工作发现的是在一维跑马拉约纳费米子。是很不一样的东西。”

 

中科院物理研究所研究员戴希说:

“当代凝聚态物理中的涉及到的这些所谓‘新粒子’,无论是外尔费米子还是马约拉纳费米子,都是在‘准粒子’或‘元激发’意义上讲的。与粒子物理中研究的‘真实粒子’相比,其科学意义体现在不同的方面。粒子物理中发现的新粒子让我们对宇宙的历史和未来形成更深刻的理解,而凝聚态里面的这些新‘准粒子’,则给我们操控和利用它们提供了巨大的可能性,在不久的未来有可能造福人类。”

 

复旦大学物理系教授施郁表示:

“归根到底,这还是固体材料中的电子的行为。但是,大量电子在固体的环境(原子核阵列以及外部条件比如磁场所形成的复杂势能)以及它们自己之间的相互作用下,可以简洁地用所谓“准粒子”来描述,也就是说这里的大量电子的表现就像在最低能量的状态基础上,激发出大量“准粒子”。为了强调这些“准粒子”是在新的层次上演生出来,而它们在其所在的环境中就类似我们的宇宙中的基本粒子,我们还可以称它们为‘演生粒子’。

“现在,实验团队在某个特定固体环境中,找到了类似马约拉拉纳费米子的演生粒子。所谓‘找到’,是说导电行为必须要用马约拉纳费米子来解释。

“这次他们发现的马约拉纳费米子是在二维磁性拓扑绝缘体与超导体的一维边界,这导致它是手征性的,也就是说沿着一个方向跑。”

 

重庆大学物理学院教授胡自翔表示:

“马约拉纳费米子是马约拉纳本人在1937年解狄拉克方程猜出来的,反粒子是其自身的特点是它最奇特之处。物理学家80年来一直在寻找这种神奇的粒子,粒子物理中的中微子有可能是马约拉纳费米子,但其验证十分困难。

“凝聚态物理学家发现在一些特定的凝聚态系统中的集体激发会出现具有马约拉纳性质的零模。例如填充因子5/2的分数量子霍尔效应中的准粒子激发,拓扑超导体内涡旋激发等。

“近年来在反常量子霍尔效应等对实验条件要求相对较低的系统出现后,人们发现一些界面系统,如超导与拓扑绝缘体异质结等能发现这种零模。去年上海交大的贾金锋研究组的实验和这次的实验采用的正是这种系统。”

 

潘磊同时还表示:

“我们此次发现的一大基础是利用了反常量子霍尔效应,这是中国科学院物理研究所研究员、清华大学教授薛其坤于2013年发表在《科学》杂志(Science)上的重大发现。”

文章的共同第一作者、加州大学洛杉矶分校的潘磊表示:“马约拉纳费米子本来是一个高能物理概念,是一种有质量的基本粒子,很多人认为中微子就是马约拉纳费米子。这里要说明,现在所有的发现,都不是真正看到了马约拉纳费米子,而是发现了‘符合马约拉纳费米子性质的激发态’。”

 

中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对此评价说,这个发现不是基本粒子,而是在极低温条件之下以及二维材料的边界上造成的某种量子态,这个态满足中性粒子的要求,即其反态就是自身。鉴于这种量子态需要极端条件,距离应用还比较远,如果我用一句大白话来解释,就是“凝聚态物理还没有攻陷粒子物理”。

这项发现的应用价值是什么?

那么,发现这种准粒子的存在有什么意义?可以应用到哪些领域里去?

潘磊在采访中表示:“虽然没有发现马约拉纳费米子,但是只要符合马约拉纳费米子的性质,就有可能用来实现拓扑量子计算。

“拓扑量子计算机(Topological Quantum Computer)的优势在于,它对外在噪声的抵抗力比普通的量子计算机更强,更具鲁棒性。最近几年,随着‘拓扑量子计算机’概念的出现,马约拉纳费米子受到了广泛的关注。”

何庆林告诉我们:“我们已经成功探测到这种粒子;下一步我们将制备出电子芯片,实现基于这一粒子为基础的拓扑量子计算机电脑芯片。”

 

南开大学物理学院教授孟新河评论:“这次的发现意义重大,至少在人工制备/调控、操纵量子态领域取得了巨大进展,肯定对量子信息领域有重要影响,对量子信息科学发展和应用帮助极大。”

 

胡自翔在采访中表示:“马约拉纳费米子未来可能会应用于拓扑量子计算领域,因为马约拉纳零模受到系统的拓扑保护,可以用来构造具有容错功能的量子计算机。目前微软,IBM等知名企业已经投入了大量的资金来研究量子计算机,微软公司去年已经宣布了拓扑量子计算机的原型,马约拉纳在其中具有十分重要的作用。”

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马约拉纳费米子藏在哪里?

科学家们是如何评价这项发现的?

虽然并没有如媒体所说“结束了80年的追寻”,这次的发现仍然十分重要,科学家们也对研究团队及其工作给出了肯定的评价。

“这是一个很不错的工作,”文小刚教授说,“1993年我在《物理评论快报》(Physics Review Letters)上发表的文章中,预言了一维手征马约拉纳费米子可以出现在非阿贝尔量子霍尔态的边界上。1999年,Read-Green预言了一维手征马约拉纳费米子可以出现在二维手征p波超导体的边界上。这次的新工作发现了一个具体的界面系统,其可模拟或者实现二维手征p波超导体,从而也实现了一维手征马约拉纳费米子。Read-Green的工作之后,大家一直想实现二维手征p波超导体及其边界上的一维手征马约拉纳费米子。这次终于做到了。”

 

潘磊在采访中告诉果壳网:“我们的实验可以说是首次最有力地证明马约拉纳费米子模(Majorana fermion mode)存在于拓扑超导体中。之前的实验偏向于用STM/STS(STM:扫描隧道显微镜;STS:扫描隧道谱)等手段来甄别,这就可能有其他平庸的解释(即表现的像Majorana fermion mode,但实际确另有原因);而我们的工作是基于马约拉纳费米子模在一维输运方面的特殊性质(区别于之前的零维实验),基本上除了马约拉纳费米子模找不到其他原因来解释,这也是我们文章中重点讨论的一部分,即排除其他可能性,所以说实验更加干净。”

论文中的实验配置方式。图片来源:论文原文

 

施郁接受采访时表示:“这支团队的工作将理论与实验结合了起来。”

 

戴希评论说:“在这次的新实验中,在样品的边缘,真正实现了一个具有手性的一维马约拉纳型准粒子系统,跟之前主要通过谱学手段发现的马约拉纳零能模有很大的不同。并且在一点上超越了之前的工作,即他们在输运实验上真正看到了一个霍尔效应的半整数平台,这是存在马约拉纳型准粒子的一个重要理论预言,这次真的观察到了。

“他们的主要结果其实一年多前就有了,但是Science的审稿人非常专业,建议他们做了好几个补充实验,用以排除其他可能性,现在的结果应该是可信度颇高的。

“在输运实验中看到严格的半个量子平台,其科学意义比之前谱学实验中的零能峰又前进了一大步,因为谱学实验的峰宽,峰高,都不是量子化的,一些其他物理效应也可能导致零能峰的出现,而且在一个有一定宽度的零能峰里除了真正的马约拉纳零能模以外,还可能夹杂着其他低能准粒子峰,从而导致马约拉纳零能模的所谓‘准粒子中毒’,不利于进一步操控实验的开展。

“因此,从这个意义上说,这个新实验会在科学史上占有一个重要地位,不过能不能拿诺奖就不好说了,毕竟离实际操控马约拉纳模,以实现拓扑量子计算还有很长的距离要走。”

致谢:清华大学交叉信息研究院量子信息中心助理研究员尹璋琦博士、中科院物理所副研究员罗会仟博士对此文亦有帮助,一并致谢。

(编辑:吴欧)

答案:不知道,可能在中微子里。

截至目前,又出现了两个对立的概念,即粒子与准粒子、粒子物理与凝聚态物理。这组关系才是理解这项科研成果的关键所在。

根据物理学定义,粒子指能够以自由状态存在的小物质组成部分,现在已经发现的粒子达到400多种。按照粒子与各种相互作用的不同关系,将粒子分为三类,媒介子、轻子、强子。按照粒子物理学标准模型认为,基本粒子有费米子和玻色子两大类,费米子构成物质并通过交换玻色子发生相互作用。依据超对称性原理,所有的费米子都存在反粒子,比如正电子就是电子的反粒子。

1928年,物理学家保罗·迪拉克做出了一个预测:宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时,它们会湮灭,同时释放出一股能量。果然,几年后第一个反物质——电子的反粒子被发现。但在1937年,另一位物理学家埃托里·马约拉纳指出了一个反转:他预测,在一类被称为“费米子”的粒子中,应该有一些粒子,自己就是自己的反粒子。但马约拉纳费米子被预言之后,截至该项研究成果发布,粒子物理学中的马约拉纳费米子在过去的80年间了无踪迹。

马约拉纳的预言只针对不带电荷的费米子,比如中子和中微子。科学家们已经找到了中子的反粒子;至于中微子,有很好的理由认为它的反粒子可能就是它本身。目前有4个实验正试图验证这一论断——比如新墨西哥州的浓缩氙观测站的新升级版EXO—200。不过这些实验难度太大,可能在未来十年内都难以得到结论。

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“准马约拉纳费米子”又是什么?

答案:符合马约拉纳费米子性质的激发态。

2013年3月14日,欧洲核子研究组织公开确认:探测到的新粒子是希格斯玻色子,而发现的手段是在大型对撞机中。而这次发现的“马约拉纳费米子”,并不是在对撞机或者其它粒子物理的探测设备中被发现。

记者了解到,大约10年前,科学家们意识到马约拉纳费米子还可能在材料物理的实验中制造出来,于是,一场找到这种粒子的“竞赛”在学界拉开了帷幕。他们寻找的,其实是“准粒子”。所谓准粒子是复杂系统的一种物理现象,它虽然不是“真”的粒子,但是其行为就像是一个粒子。在超导材料中,许多电子的集合行为,就能产生出准粒子。

实际上,对于马约拉纳费米子的寻找已经从纯粹的粒子物理的方式转变为凝聚态物理的方式。中科院物理研究所研究员戴希表示,当代凝聚态物理中涉及的这些所谓“新粒子”,无论是外尔费米子还是马约拉纳费米子,都是在“准粒子”或“元激发”意义上讲的。

凝聚态物理学家认为,调控固体材料中大量电子的集体运动模型,可以获得“准马约拉纳费米子”。在2010年至2015年间,张首晟团队连续发表了多篇论文,阐述了利用磁场调控由量子反常霍尔效应薄膜和超导薄膜构成的混合器件中的电子集体运动模式,通过是否存在半整数量子化电导平台来判定这种准粒子的存在。

过去的5年中,科学家们用这凝聚态物理的研究手段取得了一定成果。曾有研究者表示,在研究超导纳米线材的试验中观测到了很可能是马约拉纳费米子的痕迹。2016年6月22日,上海交通大学贾金锋科研团队宣布,通过一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特殊人工薄膜,已在实验室里成功捕捉到了马约拉纳费米子。

但在之前的实验中,这些准粒子都是被“束缚”的——它们被困在特定的位置,而不会在时空中传播;而且人们也很难确认这些痕迹是不是也有其他效应的作用。斯坦福大学的报道新闻稿将之形容为“如同犯罪现场还在冒烟的枪”。

名词解释

粒子指能够以自由状态存在的小物质组成部分,现在已经发现的粒子达到400多种。而按照粒子物理学标准模型认为,基本粒子有费米子和玻色子两大类,费米子构成物质并通过交换玻色子发生相互作用。

研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质,和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支,又称高能物理学。量子力学、爱因斯坦的相对论等均属于粒子物理学的范畴。

粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作用,例如以对撞机、粒子加速器、粒子探测器等为主要的探测手段。

粒子和准粒子的关系就像球员和球队的关系:一支足球队中每个球员可以看作是传统意义上的粒子,球员之间相互配合可以看作是粒子之间的非常复杂的相互作用,虽然每个球员都有自己的特点,但整体上球队却会表现出来一个统一的风格。

凝聚态物理学是从微观角度出发,研究由大量粒子组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓,以万物皆成于原子为宗旨,以量子力学为基础研究各种凝聚态。比如我们所熟知的超导即属于此范畴。

凝聚态物理学有力地促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等交叉学科的发展。与生产实践密切联系是它的另一重要特点。

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