“审稿人审了整整一年，他们每提一个疑问，我们都会用30多页纸进行回复，还为此增加了很多实验。不过，我们都很理解这种审慎的态度，毕竟80年来科学家们一直在寻找这种预言中的粒子。”美国加州大学洛杉矶分校教授、上海科技大学特聘教授王康隆在电话的那一头，语气平静。意大利物理学家埃托雷·马约拉纳曾经预言，自然界中可能存在一类特殊的粒子，其反粒子就是它们自身，这种粒子被称为马约拉纳费米子。现在，这一神秘粒子在实验中被真正发现了。

北京时间今天（7月21日）凌晨，国际顶尖学术期刊《科学》在线发表了这项重大突破性实验成果。这一工作由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和上海科技大学课题组主导，得到了加州大学尔湾分校、加州大学戴维斯分校等8家团队的支持，理论部分得到了斯坦福大学张首晟团队的支持。

最初做实验时没有想要找到这个粒子

在物理学领域，构成物质的最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。基本粒子世界有两大家族：费米子和玻色子，它们分别以两位物理学家恩利克∙费米和萨特延德拉∙纳特∙玻色的名字命名。比如，构成物质材料之一的电子就是一种费米子，而传递作用力的光子是一种玻色子。在玻色子家族，正反一体的粒子是存在的，比如光子。但在费米子家族，是否也存在这样的正反一体粒子呢？

1937年，马约拉纳猜测自然界也应该存在正反一体的费米子。不久，这位科学家在一次旅行中失踪，使得马约拉纳费米子在世人眼中更显神秘。

“我们最初做实验时，并没有计划一定要找到这个粒子。在物理学这个奇妙的世界里，理论和实验相辅相成，共同推动了诸多科学新发现。”王康隆介绍。从2009年，王教授的团队开始了关于拓扑绝缘体的研究，而课题组最初瞄准的目标是为了探索这种材料是否能够应用于低功耗电子芯片的开发；为此他们累积生长了3000多片拓扑绝缘体薄膜，逐渐摸索出一套材料优化的工艺技术，这为之后马约拉纳费米子的探测打下了坚实的基础。2013年由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。在此基础上，2015年，斯坦福大学张首晟课题组理论预测出马约拉那费米子可能存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。当时也观测到了量子反常霍尔效应的王康隆课题组，这才开始探寻神秘的马约拉那费米子。

在3个不同样品中实现了重复观测

“这的确是我参与做过的最漂亮的实验。”论文共同通讯作者、上海科技大学信息科学与技术学院助理教授寇煦丰说。作为王康隆的学生，他全程参与了该实验，去年从美归来。据他介绍，把量子反常霍尔态和超导态结合在一起，还要保持它们各自的特性不受彼此影响，这对于实验材料制备来说无疑是非常艰巨的挑战。在实验中，他们只能不断调节和优化材料参数，最终凭借铌这种金属材料与超薄磁性拓扑绝缘体的结合，形成了拓扑超导态，并在随后的电学测量实验中成功观测到了表征一维手性马约拉纳费米子的半整数量子电导。

“这个实验工作很清楚证明了马约拉纳费米子的存在。”曾获得2004年诺贝尔物理学奖的麻省理工学院教授弗兰克·维尔泽克在评价这一工作时说：“最大的亮点在于成功地将许多看似不兼容的关键元素集成在一起，同时通过材料体系的优化成功捕捉到了这种新粒子的量子态，着实是这个领域的一个突破性工作。”

除了器件制备和界面优化，测量则是另一难点。“我们的测量精度做到了小数点后5位，且在3个不同样品中实现了重复观测。”寇煦丰说，国内外之前的工作主要集中在对零维度马约拉纳基模的探测上，而他们是首次在二维空间中观测到了一维度的手性马约拉纳费米子的量子化行为，从而提供了该粒子存在的直接证据。

马约拉纳费米子的发现有何意义呢？王康隆告诉记者，科学家在研发拓扑量子计算机的道路上已经探索了30余年，而且使用的也都是普通粒子，如果不保持粒子间的相关性，数据传输容易出错。马约拉纳费米子的稳定性好，这一发现对于控制马约拉纳费米子，进而实现拓扑量子容错计算提供了新的思路。

论文链接：http://science.sciencemag.org/content/357/6348/294

题图来源：视觉中国  图片编辑：笪曦