央廣網上海6月22日消息(記者吳善陽)日前，重慶交通學院科研團隊在實驗室里成功捉到了一種化學學家找尋多年的神秘粒子——馬約拉納費米子。這些粒子既是困惑數學學界80多年的正反粒子同體的特殊費米子，也是未來制造量子計算機的可能候選對象。印度西部時間6月21日（上海時間6月22日），國際頂尖數學學期刊《物理評論快報》（）在線發表了北京交通學院賈金鋒院長及其合作者的論文：“ZeroModewithSpinintheofauctor”。通過巧妙的實驗設計，賈金鋒研究團隊率先觀測到了在渦旋中的馬約拉納費米子的蹤跡。在過去的80年里，粒子化學學家仍然在搜救馬約拉納費米子，此次中國科學家成功“探測”到了它的蹤跡，其實離人類踏入量子估算時代的夢想會邁向一大步。
4位中科院教授“站臺”，院長親自參加發布會。6月22日上午，重慶交通學院宣布，該校賈金鋒院士科研團隊在實驗室里成功捕捉到了一種化學學家找尋多年的神秘粒子——馬約拉納費米子。這些粒子既是困惑數學學界80多年的正反粒子同體的特殊費米子，也是未來制造量子計算機的可能候選對象。
揭露困惑數學學界80年的神秘粒子“面紗”
在數學學領域，科學家把構成物質的最小、最基本的單位稱作“基本粒子”，它們是在不改變物質屬性前提下的最小容積物質，也是構成各類各樣物質的原材料。
在粒子世界里，住著兩你們族：費米子家族（如電子、質子）和玻骰子家族（如光子、介子），它們分別以化學學家費米和玻色的名子命名。通常覺得，每一種粒子都有它的反粒子，費米子和它的反粒子如同一對相貌一模一樣，但性子完全相反的胞胎兄弟，兩兄弟一碰面就“大打出手”，形成的能量甚至會讓它們頓時湮沒。
但是在1937年，英國化學學家埃托雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，這些費米子的反粒子不但和它自己樣貌一樣，性子也完全相同。兩兄弟站在一起猶如照穿衣鏡，可以說，它們的反粒子就是自己本身，這些費米子被稱為“馬約拉納費米子”。粒子化學標準模型里的中微子是一種可能的馬約拉納費米子。并且，令科學家非常頭痛的是，要證明這一點卻是十分的困難，必須觀察到一種所謂的無中微子雙貝塔衰變的現象。雖然科學家做了好多努力，但在過去的近80年中，化學學家仍然都未找到馬約拉納費米子存在的證據。
2016年初，中國的科學家總算發覺了這類神秘粒子存在的征兆。重慶交通學院大賈金鋒院士研究組與四川學院許祝安、張富春研究組，北京學院李紹春研究組及日本麻省理工大學傅亮院士等合作產生的研究團隊，率先觀測到了在拓撲超導體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據。
“事實上，我們所發覺的馬約拉納費米子并不是一個傳統意義上的粒子，而是一種準粒子，但它同樣符合馬約拉納的預言。準粒子是匯聚態化學中一個重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方式，也就是說把傳統意義上的某種粒子的集體行為的個別表現，看作是一個粒子的行為（即準粒子）。這樣可以大大簡化模型，以便正確敘述個別具體化學現象的化學機理。”賈金鋒介紹說，粒子和準粒子的關系如同球隊和球員的關系：一支足球員中每位隊員可以看作是傳統意義上的粒子，球隊之間互相配合可以看作是粒子之間的十分復雜的互相作用，即使每位隊員都有自己的特色，但整體上球員卻會表現下來一個統一的風格。諸如英國國家隊可以用傳控籃球風格來描述，德國國家隊則是彰顯了一種逼搶還擊戰術。我們可能不了解隊中每位隊員的特性以及球隊之間的配合情況，而且她們整支球員卻像一個準粒子一樣可以比較簡單地被認識。
也有科學家仍然覺得，至今還沒有被直接觀測到的中性超對稱費米子很可能組成了宇宙中大多數甚至全部的暗物質，而這些中性超對稱費米子可能就是一種馬約拉納費米子。為此，觀測到復合的馬約拉納費米子，對于揭露暗物質的懸案似乎又進了一步。
“原子手冊針”探測到馬約拉納費米子存在的關鍵證據
近80年來，各國科學家從來沒有停止對馬約拉納費米子的尋覓，幾年前理論化學學家預言，馬約拉納費米子很有可能在拓撲超導體的渦旋中心能找到，但是，自然界中至今還沒有發覺拓撲超導體，這么賈金鋒團隊又是如何使馬約拉納費米子“露面”的呢？
“尋找馬約拉納費米子的過程就是不斷突破、不斷創新的過程。理論預言，在拓撲絕緣體里面放置超導材料能夠實現拓撲超導。這件事情聽上去容易，但卻在材料科學領域是一大困局。并且，因為在上方的超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被偵測到。”賈金鋒說，在大量實驗基礎上，她們沒有依照大多數人一般的思路往下走，而是反其道而行之。最終，把超導材料放到了下邊，使它上方“生長”出了拓撲絕緣體薄膜，讓拓撲絕緣體薄膜的表面弄成拓撲超導體，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費米子從“暗處”翻到了“明面”上，觀察上去更便捷了，為找尋馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎。
在馬約拉納費米子研究的最初階段，沒人曉得這些神秘的粒子會以哪些方式出現，賈金鋒團隊的研究人員所能做的只是仔細搜救拓撲超導體上的所有蛛絲馬跡。其實她們相繼找到了一些這些粒子存在的征兆，但仍然不能最終確定這種征兆就一定代表馬約拉納費米子的本征特點。2014年末，一篇理論文章預言了馬約拉納費米子的磁學性質，他立即敏銳地意識到，可以用載流子極化的掃描隧洞顯微鏡來偵測馬約拉納費米子。“地球有北極和南極，同樣，在磁性材料表面的不同位置處也有‘南’與‘北’，這就是材料的磁學性質。載流子極化的掃描隧洞顯微鏡的針尖具有磁性，它如同一個‘原子手冊針’，才能確切地偵測一個原子的磁性特點，幫助我們找到隱藏在拓撲超導體渦旋中的的馬約拉納費米子。”
但是，馬約拉納費米子的磁性十分弱，要偵測到它須要有愈加靈敏、更低濕度的掃描隧洞顯微鏡。目前，大連交通學院研究團隊擁有的儀器還達不到所須要的高溫（40mK，比絕對零度只高0.04K）。如何辦？她們一方面積極為實驗進行打算，摸索樣品生長條件，打算磁性針尖等。另一方面物理學界科學家排名，她們到處聯絡，找尋有條件的單位。結果很辛運，在微結構科學與技術2011協同創新中心內，發覺北京學院剛才建設一臺40mK的掃描隧洞顯微鏡系統，可以為該實驗提供了一個充分的實驗條件。此后，團隊研究人員根據預先設計好的方案，用載流子極化的掃描隧洞顯微鏡在“人造拓撲超導薄膜”表面的渦旋中心進行了仔細檢測。
2015年末，賈金鋒團隊及其合作者總算直接觀察到了馬約拉納費米子存在的有力證據。“在實驗中，我們觀察到了由馬約拉納費米子所造成的特有載流子極化電壓,這是馬約拉納費米子存在的確定性證據。”此后，她們又很快與協同創新中心的另外一個成員單位廣東學院合作，進行理論估算等。
在2016年初，研究團隊發覺理論估算的結果完全支持實驗觀測到的結果。通過反復對比實驗，發覺只有馬約拉納費米子能夠形成這些載流子極化電壓的現象。至此，馬約拉納費米子的神秘面紗總算被揭露，賈金鋒表示，這是她們的實驗首次觀測到馬約拉納費米子的載流子相關性質,同時也提供了一種用互相作用調控馬約拉納費米子存在的有效方式，還為觀察神秘的馬約拉納費米子提供了一個直接檢測的辦法。
或在拓撲量子估算領域大展身手
找到馬約拉納費米子意味著哪些？意味著人類在量子化學學領域取得了一個重大突破，同時也意味著在固體中實現拓撲量子估算成為可能。這個發覺或將引起新一輪電子技術的革命，使人類步入拓撲量子估算的時代。
與普通計算機通過二補碼形式處理數據不同，量子計算機是一種基于量子化學機理處理數據的計算機。它對數據的處理速率驚人，假如把量子計算機稱作客機的話，這么普通計算機只能算是單車。使用普通計算機須要花費巨大估算資源能夠勉強處理的問題，在量子計算機看來是小菜一碟。
以天氣預報為例，因為現有技術的局限，現今人們對天氣的預測不可能達到每次都十分確切。假如使用量子計算機來估算天氣數據，除了能頓時運算海量數據，預測的確切性也會大大增強。其實，精確地預測天氣對于量子計算機來說還不算哪些物理學界科學家排名，它能對海量早已合成的新材料，甚至能夠對未合成的概念材料進行系統、精確、高效地估算，為材料科學領域帶來革命性的進步。而科學家們預期馬約拉納費米子就是制造量子計算機的完美選擇之一。
據介紹，迄今還沒有制造出真正意義上的量子計算機，其中一個很重要的緣由是，目前用于量子估算的粒子的量子態并不穩定，電磁干擾或化學干擾可以輕松攪亂它們本應進行的估算。而馬約拉納費米子的反粒子就是自己本身，它的狀態十分穩定。這種屬性似乎使量子計算機的制造弄成現實的一個關鍵，進而幫助人類敲開拓撲量子估算時代的房門。
作者簡介
賈金鋒
1987年上海學院化學系結業，1992年上海學院化學系博士結業。先后在日本和韓國工作5年。歷任研究員、博士生導師。1996年獲中國國家教育委員會科技進步銀獎，2000年中國科大學“百人計劃”獲得者。2001－2002中國科大學"重大創新貢獻團隊"核心成員（全院排行第一），2003年上海市科學技術獎銀獎（第3得獎人）。獲2003年"杰出青年"基金，工作被評為"2003年振邦杯中國十大科技進展新聞"。2015年7月31日，榮獲中國科大學教授增選初步候選人名單。
主要研究方向：研究工作主要涉及借助掃描隧洞顯微鏡、低能電子衍射、光電子能譜及各類表面剖析手段研究各類金屬、半導體表面/界面的原子結構/電子結構/物理性質、及有機生物分子在表面的吸附等。借助MBE生長低維納米結構、研究生長動力學，以及量子效應對低維納米結構電子性質的影響等。主要研究手段包括分子束外延、低溫掃描隧洞顯微鏡/譜、高/低能電子衍射、角區分光電子能譜等。