[上海热线]上海交大科研团队成功“捕获”马约拉纳费米子[图]

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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物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。据悉，在过去的80年里，粒子物理学家一直在搜寻马约拉纳费米子，而这次中国科学家成功“探测”到了它的踪迹，意味着也许离人类跨入量子计算时代的梦想又迈进了一大步。  

美国东部时间6月21日（北京时间6月22日），国际顶级物理学刊物《物理评论快报》在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合作者的论文：“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor”。  

找到马约拉纳费米子，是人类在量子物理学领域取得的一个重大突破，同时也表示在固体中实现拓扑量子计算成为可能。这个发现或将引发新一轮电子技术的革命，使人类进入拓扑量子计算的时代。 

图说：贾金峰教授在实验室捕获马约拉纳费米子

图说：人造拓扑超导体

图说：贾金峰教授介绍团队的研究成果

揭开困扰物理学界80年的神秘粒子“面纱”

在粒子世界里，住着两大家族：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子），它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为，每一种粒子都有它的反粒子，费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样，但脾气完全相反的双胞胎兄弟，两兄弟一见面就“大打出手”，产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。  

1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样，脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子，可以说，它们的反粒子就是自己本身，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。但是，令科学家十分头疼的是，要证明这一点却是非常的困难，必须观察到一种所谓的无中微子双贝塔衰变的现象。尽管科学家做了很多努力，但在过去的近80年中，物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。  

2016年初，中国的科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。上海交通大学大贾金锋教授研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组，南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮教授等合作形成的研究团队，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据。  

也有科学家一直认为，至今还没有被直接观测到的中性超对称费米子很可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质，而这种中性超对称费米子可能就是一种马约拉纳费米子。因此，观测到复合的马约拉纳费米子，对于揭开暗物质的谜团也许又进了一步。  

“原子指南针”探测到马约拉纳费米子存在的关键证据

近80年来，各国科学家从来没有停止对马约拉纳费米子的寻找，几年前理论物理学家预言，马约拉纳费米子很有可能在拓扑超导体的涡旋中心能找到，然而，自然界中至今还没有发现拓扑超导体，那么贾金锋团队又是怎样使马约拉纳费米子“露面”的呢？  

“寻找马约拉纳费米子的过程就是不断突破、不断创新的过程。理论预言，在拓扑绝缘体上面放置超导材料就能实现拓扑超导。这件事情听起来容易，但却在材料科学领域是一大难题。”贾金锋说，在大量实验基础上，他们没有按照大多数人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最终，把超导材料放在了下面，使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上，观察起来更方便了，为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。  

在马约拉纳费米子研究的最初阶段，没人知道这种神秘的粒子会以什么形式出现，贾金锋团队的研究人员所能做的只是仔细搜寻拓扑超导体上的所有蛛丝马迹。而且，马约拉纳费米子的磁性非常弱，要探测到它需要有更加灵敏、更低温度的扫描隧道显微镜。最后，团队通过一台40mK的扫描隧道显微镜系统，按照预先设计好的方案，用自旋极化的扫描隧道显微镜在“人造拓扑超导薄膜”表面的涡旋中心进行了仔细测量。  

2015年底，贾金锋团队及其合作者终于直接观察到了由马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流, 这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。此后，他们又很快与协同创新中心的另外一个成员单位浙江大学合作，进行理论计算等。  

终于，2016年初，研究团队发现理论计算的结果完全支持实验观测到的结果。通过反复对比实验，发现只有马约拉纳费米子才能产生这种自旋极化电流的现象。  

至此，马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开，贾金锋表示，这是他们的实验首次观测到马约拉纳费米子的自旋相关性质, 同时也提供了一种用相互作用调控马约拉纳费米子存在的有效方法，还为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接测量的办法。