科工力量：天使粒子 是梦幻还是现实
【文/科工力量 柳叶刀】
一项新的研究显示，2017年研究发现的“马约拉纳费米子”——手性马约拉纳费米子模，也被称为“天使粒子”，可能仅仅是虚惊一场。
2020年1月3日，由宾夕法尼亚州立大学常翠祖领导的团队在《科学》期刊发表文章，该团队研究了超过36种类似于2017年成果报告中用于产生“天使粒子”的设备样本，却得到不同的结果，在相似的实验平台中观测的结果并非由于“天使粒子”导致。
“天使粒子”的概念由中科院外籍院士、美国斯坦福大学与清华大学教授张首晟提出。2017年，王康隆、张首晟等多位华人科学家共同完成一项工作首次报道，发现了手性马约拉纳费米子模，也被称为“天使粒子”，引起学术界广泛关注。
在粒子物理领域，马约拉纳费米子是一种非常特殊的粒子，对应的反粒子就是其本身。因为其独特的性质可以用来建造拓扑量子计算机，所以物理学家对马约拉纳费米子有着极大的兴趣。
马约拉纳费米子 正反同体
物理学中，构成物质最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物理属性前提下最小体积物质。基本粒子又分为两种：费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。
1928年，物理学家狄拉克预言：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时，他们会湮灭，同时释放出能量。几年后第一个反物质——电子的反粒子被发现。从此，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。
不过，会不会存在一类没有反粒子的粒子，或者说正反同体的粒子？1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）猜测，在费米子这类粒子中，应该有一些粒子，自己就是自身的反粒子，即我们今天所称的“马约拉纳费米子”。
意大利物理学家埃托雷·马约拉纳
马约拉纳费米子一直有个“最佳嫌疑人”，就是中微子，不过，证明这一点需要进行无中微子的beta双衰变实验，人类暂时还没有能力达到相应的实验精度。因此，一些科学家将目光从粒子物理转向凝聚态物理。
凝聚态物理学研究的是大量粒子组成的凝聚态结构，一般无法直接观测到单个粒子。不过，固体材料（比如金属、非金属、半导体、超导体）内部的自由电子，在合适的磁场、压力、温度等外部条件下，会产生特定的集体活动趋势，可以看作是一个“准粒子”。
“准粒子”实际上是一种复杂系统的一种物理现象，它虽然不是“真”的粒子，但是其行为就像是一个粒子。
若马约拉纳费米子被证实 可助力拓扑量子计算机发展
若马约拉纳费米子的猜想被证实，其在拓扑量子计算机的构建方面，将发挥巨大作用。根据笔者查询的资料，武汉大学的学者于2017年在《中国经济报告》发表一篇题为“正反同体的‘天使粒子’”文章，就较为详细地指出马约拉纳费米子在量子计算中的作用。
量子计算的实现面临一个非常大的挑战：一个量子比特的信息非常难以储存，微弱的环境噪声就能毁灭其量子特性。量子比特难以储存的原因来自量子纠缠特性，被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。 以电子的“自旋”为例，两个相互纠缠的电子对，当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转，量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态。
量子纠缠
如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不只是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。
马约拉纳费米子没有反粒子，或者说相当于半个传统粒子，这就提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能够被拆成两半，存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。如此一来，传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子，进而毁灭所存储的量子信息，使通常非常脆弱的量子比特储存方式变为稳固。
以马约拉纳费米子所构建的量子比特来进行信息的计算和存储，其信息量可以存储在两个分离的、独立的马约拉纳费米子中。要破坏它们所存储的信息必须同时对这两个粒子进行同样的干扰。这样的一个特性可以使拓扑量子计算和存储过程减少外界的干扰，存储更加稳定，计算也具有容错的特性。（该部分参考自《中国经济报告》：正反同体的“天使粒子”）
发现天使粒子“脚印” 没见其“真身”
多年来，物理学家为找到“马约拉纳费米子”展开了艰辛的探索。张首晟选择以凝聚态物理为突破口，在2010年至2015年间发表三篇论文，给出了实现马约拉纳费米子的体系及用以验证的实验方案。
而后，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校、美国加利福尼亚大学戴维斯分校、美国加利福尼亚大学欧文分校和上海科技大学等实验团队，依照张首晟的理论预测并设计实验，宣布发现了“手性马约拉那费米子模”，并于2017年将研究论文发表在《科学》期刊上。张首晟将这一新发现的“手性马约拉纳费米子模”命名为“天使粒子 ”。
王康隆、张首晟等科学家团队于2017年将研究成果发表在《科学》期刊上 截图自《科学》期刊
不过，文章的第一作者、加州大学洛杉矶分校的潘磊表示：“马约拉纳费米子本来是一个高能物理概念，是一种有质量的基本粒子。很多人认为中微子就是马约拉纳费米子，这里要说明，现在所有的发现都不是真正看到了马约拉纳费米子，而是发现了‘符合马约拉纳费米子性质的激发态’”。
在磁性拓扑绝缘体上面再叠加一个超导体，就会组成拓扑超导体，由此将找到“天使粒子”，但将磁性的拓扑绝缘体与超导体叠加并不简单 图自王康隆、张首晟等科学家团队的期刊文章
“天使粒子”被发现后，各大媒体争相报道，甚至有误传说它就是“准粒子”。而《科学中国人》就指出，“就连科研团队本身，都未曾声称找到“马约拉纳费米子”，而是将之称之为“马约拉纳费米子模”，一字之差，大有文章”。简单点说就是，发现了“脚印”，并没有看见“真身”。
在《科学》期刊上的这篇文章，其表述的是该团队在实验中观测到“一维手性马约拉纳费米子模”。实际上，研究团队在实验中看到的是一个霍尔效应的“半整数平台”，这是存在马约拉纳型准粒子的一个重要理论预言。对此，麻神理工学院教授文小刚曾表示“这次实验直接测到的是半整数量子化电导，它间接意味着手性马约拉纳费米子存在的可能性”。
“天使粒子”的实验观测现象 可能因“短路”导致
2020年1月3日，美国宾夕法尼亚州立大学常翠祖等科学家在《科学》期刊上发表文章，显示在相似实验平台中观测到的结果并不相同，他们只观测到一种类似“短路”的现象。
常翠祖研究团队在《科学》期刊上最新发表的论文 截图自《科学》期刊
常翠祖领导的宾夕法尼亚州立大学和德国维尔茨堡大学的物理学家团队，尝试重复美国加利福尼亚大学洛杉矶分校团队的实验结果，却发现“在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流不是由手性马约拉纳费米子导致”。
反常量子霍尔绝缘体与超导体的耦合机制形成一种新的拓扑量子态，超导体附着在反常量子霍尔绝缘体的上部（如左图）；宾夕法尼亚州立大学和德国维尔茨堡大学的实验表明，该装置的几何结构中使用的毫米大小的超导体产生了一个电短路，该现象不符合手性马约拉纳费米子的理论预测（如右图）； 图自宾夕法尼亚州立大学官网
该研究团队测试了三十几种类似于2017年研究报告中用于产生“天使粒子”的设备样本，但是此次重复实验中的现象很难用手性马约拉纳费米子理论预言中的物理模型进行解释。该研究团队认为：由于量子反常霍尔绝缘体紧密接触的超导体将两侧的量子反常绝缘体进行了简单电学连接，这一“短路”电路导致了观测到的半整数量子化电导平台。简单点说，新的重复实验中，研究人员认为观测到的半整数量子平台由于“短路”造成，而并非由于“天使粒子”所致。
宾夕法尼亚州立大学首任纳米中心主任陈鸿渭（Moses Hung-Wai Chan）表示，“实际上，宾州大学和维尔茨堡的两个实验室使用多种设备配置获得了完全一致的结果，这一事实使人们对理论上提出的实验几何的有效性产生严重怀疑，并质疑2017年观察‘天使粒子’的说法”。
不过，宾夕法尼亚州立大学博士后研究员莫蒂扎·凯亚尔哈(Morteza Kayyalha)，也是此次重复实验的参与者之一，表示，“量子反常霍尔绝缘体和超导性的结合是实现‘手性马约拉纳费米子’的一个有吸引力的方案，不过，我们理论家同事需要重新思考设备的几何结构”。
结束语
80多年的艰辛探索，马约拉纳费米子如魅影一般难以琢磨，它一度被断定在凝聚态物理学界的热门材料上留下“脚印”。因为涉及到拓扑量子计算机的构建，马约拉纳费米子的研究更是意义非凡，但梦幻能否变成现实，有待时间的检验。
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