80年前的预言成真！真有与自己反粒子一样的粒子

在物理学领域，科学家把构成物质的最小、最基本的单位叫做“基本粒子”，它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质，也是构成各种各样物质的原材料。

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。

注：自旋为整数的粒子是玻色子，自旋为半整数的粒子是费米子。

一般认为，每一种粒子都有它的反粒子，当粒子与反粒子相遇时会发生湮灭现象，两个粒子的质量消失而转化为能量，符合E = mc 2

然而在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，带电属性也一样。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”。粒子物理标准模型里的中微子是一种可能的马约拉纳费米子。

但是中微子几乎与其他任何粒子都不发生反应，地球面向太阳的区域每秒钟在每平方厘米上都会穿过大约650亿个来自太阳的中微子，能被实验室捕捉到的也是个位数。尽管科学家做了很多努力，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。

【视频】上海交大：贾金峰科研团队“捕获”马约拉纳费米子

今年初，神秘粒子踪迹被中国科学家发现

今年初，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。

贾金锋表示，事实上，我们所发现的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子，而是一种准粒子，但它同样符合马约拉纳的预言。准粒子是凝聚态物理中一个重要概念，它是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法，也就是说把传统意义上的某种粒子的集体行为的某些表现，看作是一个粒子的行为（即准粒子）。这样可以大大简化模型，便于正确表述某些具体物理现象的物理机理。

贾金锋介绍说，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色，但整体上球队却会表现出来一个统一的风格。我们可能不了解队中每个球员的特点以及球员之间的配合情况，但是他们整支球队却像一个准粒子一样可以比较简单地被认识。

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。

根据目前理论及观测，我们认识的普通物质仅占全宇宙的5%左右，剩下的95%全都是没有探测到的暗物质和暗能量

“原子指南针”探测到马约拉纳费米子存在的关键证据

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？

贾金锋表示，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。而且，由于在上方的超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被探测到。

在2014年，普林斯顿大学宣布发现了马约拉纳费米子，不过当时只能探测到粒子的能量为0，符合模型，而无法具体测量粒子的自旋和空间分布特性，因此不能真正算是真正意义上的发现。

基于这个发现，贾金锋刻敏锐地意识到，可以用自旋极化的扫描隧道显微镜来探测马约拉纳费米子。“地球有南极和北极，同样，在磁性材料表面的不同位置处也有‘南’与‘北’，这就是材料的磁学性质。自旋极化的扫描隧道显微镜的针尖具有磁性，它就像一个‘原子指南针’，能够准确地探测一个原子的磁性特征，帮助我们找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的的马约拉纳费米子。”

然而，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。目前，上海交通大学研究团队拥有的仪器还达不到所需要的低温（40mK，比绝对零度只高0.04K）。怎么办？

他们一方面积极为实验进行准备，摸索样品生长条件，准备磁性针尖等。另一方面，他们四处联络，寻找有条件的单位。结果很幸运，在微结构科学与技术2011协同创新中心内，发现南京大学刚刚建设一台40mK的扫描隧道显微镜系统，可以为该实验提供了一个充分的实验条件。随后，团队研究人员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马约拉纳费米子存在的有力证据——能量为0，粒子的自旋符合费米子特性，空间分布也与预言的一致，而且三者是自洽的（一个条件成立时，另外2个条件也成立）。这一发现最终被发表在物理评论快报这一权威物理学期刊。并得到了学界的广泛认可。

未来量子计算领域显身手

找到马约拉纳费米子意味着什么？意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破，同时也意味着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。

谷歌准备研制比普通电脑快一万倍的量子计算机

与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它对数据的处理速度惊人，如果把量子计算机比作飞机的话，那么普通计算机只能算是自行车。使用普通计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题，在量子计算机看来是小菜一碟。

以天气预报为例，由于现有技术的局限，现在人们对天气的预测不可能达到每次都非常准确。如果使用量子计算机来计算天气数据，不仅能瞬间运算海量数据，预测的准确性也会大大提高。当然，精确地预测天气对于量子计算机来说还不算什么，它能对海量已经合成的新材料，甚至还能对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地计算，为材料科学领域带来革命性的进步。而科学家们预期马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。

迄今还没有制造出真正意义上的量子计算机，其中一个很重要的原因是，目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，它的状态非常稳定。这些属性或许使量子计算机的制造变成现实的一个关键，从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。