華人科學(xué)家群力突破80年物理難題 | 張富春這樣解讀
?埃托雷·馬約拉納（1906-1938），來源：wikipedia
撰文 | 呂浩然
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7月21日，學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了由美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）王康隆課題組主導(dǎo)，斯坦福大學(xué)張守晟課題組及上?？萍即髮W(xué)寇煦豐課題組等8家單位合作完成的一項(xiàng)研究成果——研究團(tuán)隊(duì)首次在磁性拓?fù)浣^緣體薄膜與超導(dǎo)體結(jié)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一維手性馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)[1]。此次工作也是繼去年6月上海交通大學(xué)賈金鋒課題組發(fā)現(xiàn)基態(tài)馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)之后，該領(lǐng)域又一重大發(fā)現(xiàn)，這讓我們距離徹底揭開馬約拉納費(fèi)米子的神秘面紗又近了一步。
粒子世界有兩大家族：費(fèi)米子家族和玻色子家族，它們分別以物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米（Enrico Fermi，1901—1954）和薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894—1974）的名字命名。人類已知的所有基本物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（電子、夸克、中微子），而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。
較早之前，學(xué)界普遍認(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，且狀態(tài)與粒子本身相反。直到1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費(fèi)米子，它們的反粒子就是它們自身，這種費(fèi)米子被稱為馬約拉納費(fèi)米子。在馬約拉納預(yù)言這種特殊費(fèi)米子存在后近80年的時(shí)間里，科學(xué)家一直試圖找尋它的蹤跡，卻一直未果。
值得一提的是，因?yàn)轳R約拉納費(fèi)米子的反粒子就是它本身這一特殊屬性，發(fā)現(xiàn)它的蹤跡對解釋宇宙中各種未知的難題具有重要意義。不僅如此，馬約拉納費(fèi)米子因可以在量子計(jì)算過程中形成穩(wěn)定的比特，考慮到目前量子計(jì)算領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?，包括微軟、IBM等知名IT巨頭紛紛投入大量資金，爭相占領(lǐng)量子計(jì)算領(lǐng)域的制高點(diǎn)。
2016年6月22日，上海交通大學(xué)賈金鋒課題組及其合作者在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表論文[2]，宣布課題組在拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)體結(jié)合形成的拓?fù)涑瑢?dǎo)體（TSC）界面中成功觀察到了由基態(tài)馬約拉納費(fèi)米子所引起的特有自旋極化電流，為證明零維馬約拉納費(fèi)米子的存在提供了確定性證據(jù)。
而此次研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在磁性拓?fù)浣^緣體（Cr-(BiSb)2Te3）薄膜與超導(dǎo)體（Nb/Au）混合的結(jié)構(gòu)中施加強(qiáng)度很低（0.3T）的磁場之后，會(huì)形成量子反?；魻栃?yīng)態(tài)與超導(dǎo)態(tài)共存的狀態(tài)，此時(shí)在磁場交替反轉(zhuǎn)的位置可以觀測到手性拓?fù)涑瑢?dǎo)序?qū)?yīng)的半整數(shù)量子化電導(dǎo)（half-integer quantized conductance plateaus），這種現(xiàn)象也是馬約拉納費(fèi)米子模式的一個(gè)鮮明特征。
不僅如此，此次研究還具有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：
可以通過施加外加磁場來改變邊界電流的傳輸路徑
在研究的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中，量子反常霍爾態(tài)可以與超導(dǎo)態(tài)共存，研究人員將其稱為手性拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)（chiral topological superconductor）。
可以在不同的外加磁場下，實(shí)現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)N從+2→+1→0→-1→-2的量子相變。而當(dāng)N=±1時(shí)，其對應(yīng)的即為一維手性馬約拉納費(fèi)米子態(tài)。
論文共同通訊作者，上海科技大學(xué)寇煦豐研究員告訴《知識(shí)分子》，此次工作首次在二維空間中觀測到了手性馬約拉納費(fèi)米子的量子態(tài)，且在不同的樣品中實(shí)現(xiàn)重復(fù)觀測。這一發(fā)現(xiàn)可能為控制馬約拉納費(fèi)米子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔尤蒎e(cuò)計(jì)算提供了一條新的途徑。
針對此次的研究成果，《知識(shí)分子》邀請到了中國科學(xué)院卡弗里理論物理研究所所長張富春教授解讀：
《科學(xué)》在線發(fā)表的美國加州大學(xué)洛杉磯分校王康隆實(shí)驗(yàn)組與斯坦福大學(xué)張首晟理論組等合作在拓?fù)湮镔|(zhì)方面的最新研究成果，在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉納零能模。馬約拉納費(fèi)米子是上世紀(jì)三十年代在理論上預(yù)言的可能存在的一種基本粒子。與電子、質(zhì)子等自然界其它費(fèi)米子不同，馬約拉納費(fèi)米子的反粒子就是它自身。最近的理論研究指出，特定凝聚態(tài)體系中可能演生出馬約拉納零能模，它可以組成基本構(gòu)件發(fā)展拓?fù)淞孔佑?jì)算。
馬約拉納零能模已經(jīng)在特定的一維鏈的兩端以及二維拓?fù)涑瑢?dǎo)渦旋中心有實(shí)驗(yàn)報(bào)道，并正在研制量子比特。王康隆等發(fā)現(xiàn)的馬約拉納粒子與之前發(fā)現(xiàn)的局域粒子不同之處在于，此次發(fā)現(xiàn)的是在二維邊界上延伸的手性模式，可用于輸運(yùn)。這一發(fā)現(xiàn)將對凝聚態(tài)中馬約拉納粒子的研究和可能的應(yīng)用起到很大的推動(dòng)作用。
最早關(guān)于手性馬約拉納零能模存在的預(yù)言指出，該零能模存在于手性P-波超導(dǎo)的邊界。但由于材料問題，一直沒有能夠?qū)崿F(xiàn)。王康隆課題組此次的發(fā)現(xiàn)是在量子反?；魻柦^緣體上利用超導(dǎo)鄰近效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。他們用外磁場調(diào)控量子態(tài)，在量子反常霍爾效應(yīng)磁性反轉(zhuǎn)附近觀察到了半整數(shù)量子化的電導(dǎo)，獲得了馬約拉納粒子存在的有力證據(jù)。他們的發(fā)現(xiàn)，也是我們中國幾年前由薛其坤團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應(yīng)的一個(gè)重要應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] Qing Lin He, Lei Pan, et al. & Kang L. Wang, Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure, Science. 21 JULY 2017, VOL 357 ISSUE 6348.
[2] Hao-Hua Sun, Kai-Wen Zhang, et al. & Jin-FengJia, Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor, Phys. Rev. Lett. 116, 257003 (2016).
另：感謝中國科學(xué)院物理所丁洪研究員及論文共同第一作者何慶林博士、潘磊博士對本文的幫助。
制版編輯：呂浩然
