天使粒子

7月21日凌晨，張首晟及其團(tuán)隊在美國科學(xué)雜志上發(fā)表了一項重大發(fā)現(xiàn)：在整個物理學(xué)界歷經(jīng)80年的探索之后，他們終于發(fā)現(xiàn)了手性Majorana費米子的存在。

這一發(fā)現(xiàn)，驗證了由意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana在80年前提出的預(yù)測——存在一類沒有反粒子的粒子。同時也證明了存在一種比量子還小的單位，這將對現(xiàn)在的量子理論帶來巨大的改變。

80年漫長的尋覓

1928年，英國理論物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）提出了著名的狄拉克方程式。這一發(fā)現(xiàn)，從理念上預(yù)言了正電子的存在，狄拉克提出：宇宙中每一個基本粒子必然有相對應(yīng)的反粒子。1932年，美國物理學(xué)家安德森在研究宇宙射線時，無意間發(fā)現(xiàn)了狄拉克預(yù)言的正電子。從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認(rèn)為是永恒不變的真理。

但是，在1937年，也就是整整80年前，Ettore Majorana做出這樣一個大膽的猜測：會不會有一類沒有反粒子的粒子，或者說它們自身就是自己的反粒子。這個粒子被后來的物理學(xué)界稱之為Majorana費米子，并和希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質(zhì)等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。從那開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學(xué)中許多領(lǐng)域研究工作的崇高目標(biāo)。

在物理學(xué)里，存在兩大分支，分別是粒子物理和凝聚態(tài)物理。

在粒子物理中，標(biāo)準(zhǔn)模型范疇外的中微子被認(rèn)為最可能是Majorana費米子，而且這一猜測是有可能被“無中微子的beta雙衰變”實驗所驗證。但這項實驗所要求的精度在今后的10年到20年以內(nèi)都難以達(dá)到。而在張首晟所研究的凝聚態(tài)物理中，Majorana費米子有可能作為某些新奇量子基態(tài)上的準(zhǔn)粒子或元激發(fā)而存在。

在2010～2015年之間，張首晟與其團(tuán)隊連續(xù)發(fā)表三篇論文，他們精準(zhǔn)預(yù)言手性Majorana費米子存在于一種由量子反?；魻栃?yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中，并指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據(jù)。

在以往的量子反?；魻栃?yīng)實驗中，隨著調(diào)節(jié)外磁場，反常量子霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)出量子平臺，對應(yīng)著1，0，-1倍基本電阻單位e2/h。當(dāng)把普通超導(dǎo)體置于反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時，臨近效應(yīng)使之能夠?qū)崿F(xiàn)手性Majorana 費米子，相應(yīng)的實驗中會多出全新的量子平臺，對應(yīng)2/1倍基本電阻單位e2/h。

這半個基本電阻在某種意義上可以視為半個傳統(tǒng)粒子。所以，這多出來的半整數(shù)量子平臺就提供了有力的證據(jù)，證明在時空中傳播的手性Majorana費米子的存在。

根據(jù)這一理論預(yù)言，來自UCLA（由何慶林、王康隆教授領(lǐng)導(dǎo)）和UC Irvine（由夏晶教授領(lǐng)導(dǎo)）的兩個實驗團(tuán)隊與張首晟教授的理論團(tuán)隊緊密合作，最終在所提出的器件實驗上發(fā)現(xiàn)了手性Majorana費米子。

他們在通常的整數(shù)量子平臺之外，探測到了張首晟團(tuán)隊預(yù)言的半整數(shù)量子平臺。隨后的強磁場實驗與三端電阻測量進(jìn)而有力的排除了其他可能的實驗噪聲與假象。

基礎(chǔ)物理與應(yīng)用的“雙突破”

張首晟將發(fā)現(xiàn)的手性Majorana費米子稱為天使粒子，這一靈感來自于小說《天使與魔鬼》。在Dan Brown的這部小說中，正反粒子的碰撞會將所有質(zhì)量以能量的形式釋放出，從而湮滅整個世界。而天使粒子的發(fā)現(xiàn)，就好像發(fā)現(xiàn)了一個完美的世界，這里只有天使，沒有魔鬼。

對于每一位物理學(xué)家來說，基礎(chǔ)物理的研究都是一段極為漫長的過程。一個重大的發(fā)現(xiàn)往往需要50年甚至100年的時間，有發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是幸運的。也有很多人，可能傾注畢生，最終也沒有所獲。

任何科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，都是站在巨人的肩膀上。張首晟表示，天使粒子的發(fā)現(xiàn)，也是建立在量子反?；魻栃?yīng)以及拓?fù)浣^緣體的基礎(chǔ)上。

量子世界本質(zhì)上是并行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子計算機能夠進(jìn)行高度并行的量子計算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計算機有效。

然而，一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲都能夠毀滅其量子特性。但Majorana費米子沒有反粒子，或者說相當(dāng)于半個傳統(tǒng)粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠(yuǎn)的Majorana費米子上。

如此一來，傳統(tǒng)的噪聲極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進(jìn)而毀滅所存儲的量子信息。相較于傳統(tǒng)的存儲方式，比如電子自旋，超導(dǎo)磁通和光子極化，這樣存儲在遠(yuǎn)離的兩個Majorana費米子上的拓?fù)淞孔颖忍兀举|(zhì)上極其穩(wěn)固。

也就是說，Majorana費米子能夠用于構(gòu)造穩(wěn)固的拓?fù)淞孔佑嬎銠C，使得有效的量子計算成為可能。

現(xiàn)在，這項科學(xué)已經(jīng)可以開始應(yīng)用?！肮雀韬臀④浺呀?jīng)提供了支持，未來，在國內(nèi)也會開始進(jìn)行應(yīng)用?！睆埵钻烧f。

獲諾獎只是時間問題

1963年出生的張首晟，17歲便前往德國柏林自由大學(xué)學(xué)習(xí)。他學(xué)的是理論物理專業(yè)，這也是其恩師楊振寧的專業(yè)。

但理論物理的就業(yè)面太窄，張首晟一度開始擔(dān)心自己的前途。但當(dāng)他來到哥廷根大學(xué)附近的一塊墓地，看到里面埋葬的一些物理學(xué)家都是用其生前發(fā)現(xiàn)的公式作為墓志銘，這深深震撼了張首晟。

自此，“用一個公式概括整個世界”成為張首晟的夢想，也讓他決定將畢生的精力都貢獻(xiàn)給物理學(xué)研究。

還有一個選擇對張首晟產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)年在柏林自由大學(xué)學(xué)習(xí)時，張首晟一直將大統(tǒng)一理論當(dāng)成自己的學(xué)術(shù)目標(biāo)。因為這是愛因斯坦努力一生的事業(yè)，也是楊振寧的領(lǐng)域。

但是當(dāng)他師從楊振寧時，楊振寧卻鼓勵張首晟去研究凝聚態(tài)物理。楊振寧認(rèn)為他自己所處的領(lǐng)域要想有所突破已經(jīng)很難，而凝聚態(tài)物理剛剛興起，發(fā)展很快。

最后，張首晟在楊振寧的指導(dǎo)下，開始在凝聚態(tài)領(lǐng)域工作。

接下來，1996年，年僅33歲的張首晟被評為斯坦福大學(xué)終身教授。隨后，憑借拓?fù)浣^緣體和量子自旋霍爾效應(yīng)兩項理論的發(fā)現(xiàn)，張首晟于2010年獲得歐洲物理獎；2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎；2014年獲得美國富蘭克林獎。

張首晟多年被湯森路透預(yù)測會得到諾貝爾獎，楊振寧則評價“他獲得諾貝爾獎只是時間問題”。不知道天使粒子的發(fā)現(xiàn)，是否能讓張首晟眾望所歸。（編輯/起點）