希格斯玻色子、引力波，這幾年的物理學界捷報連連，盡管大多數人不知道這些發(fā)現意味著什么，頂多多了一個高頻詞匯或者多了一項談資，不求甚解。一篇名為《量子反?；魻栃^緣體—超導體結構中的手性馬約拉納費米子?！返恼撐陌l(fā)表在本月20日的《Science》雜志上。一個名叫“天使粒子”的名詞開始刷屏，各大媒體爭相報道，“80年的追蹤終于找到”“拓撲量子計算機”“諾獎候選”等等標簽統(tǒng)統(tǒng)貼上，并且宣稱該發(fā)現“結束了國際物理學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋”。

　　事實上，就連科研團隊本身，都未曾聲稱找到了這個沒有反粒子“正反同體”的著名的“馬約拉納費米子”，而是將之稱為“馬約拉納費米子?！?，一字之差，大有文章，是“粒子”與“準粒子”的差別，也是粒子物理和凝聚態(tài)物理的差別，或者按照參與人員張首晟教授的話來說，這次的發(fā)現是馬約拉納費米子存在的“鐵證”，但是鐵證與真正的馬約拉納費米子之間還有距離。

　　●南方日報駐京記者 王騰騰

　　焦點1

　　馬約拉納費米子有沒有被找到？

　　答案：沒有！只是證明了具有馬約拉納費米子激發(fā)的輸運態(tài)，并且世界上首次實現其粒子的量子化，是世界上首次實驗證明這種粒子存在的最有力證據。

　　文章的第一作者、加州大學洛杉磯分校(UCLA)的何慶林是這樣解釋這次研究的：“本次研究是利用了反常量子霍爾絕緣體與超導體的耦合機制而形成一種新的拓撲量子態(tài)，稱為拓撲超導體。UCLA團隊利用分子束外延技術，制備了只有6納米厚的反常量子霍爾絕緣體薄膜，然后在表層沉積超導體后將樣品冷卻至接近絕對零度，通過外加電場和磁場的調控，測試樣品的量子電導，來證明了具有馬約拉納費米子激發(fā)的輸運態(tài)，并且世界上首次實現其粒子的量子化，因此此工作是世界上首次實驗證明這種粒子存在的最有力證據。”

　　何慶林的解釋充滿了各種專業(yè)名詞，但拋開復雜的理論與技術來看，其意思就是“本項研究的重點就是實驗中觀測到了馬約拉納費米子模存在的證據，同時又極大程度上排除了其他因素的影響，成為馬約拉納準費米子存在的有力證據”。也就是說，這項研究提供了證據證明“馬約拉納費米子是存在的”，但是至今仍未能發(fā)現它。

　　焦點2

　　“天使粒子”究竟是什么？

　　答案：并不是真正的粒子，更不是所謂的基本粒子，而是“準粒子”，是作為固態(tài)系統(tǒng)中簡化多體問題的手段之一而引入的數學模型。

　　實際上，此次宣布發(fā)現的“馬約拉納費米子”并不是真正的粒子，更不是所謂的基本粒子，而是“準粒子”，是作為固態(tài)系統(tǒng)中簡化多體問題的手段之一而引入的數學模型。例如，常見的準粒子的例子還包括，為了描述固態(tài)系統(tǒng)中原子震動的傳播而引入的“聲子”。

　　文章的共同第一作者、加州大學洛杉磯分校的潘磊表示：“馬約拉納費米子本來是一個高能物理概念，是一種有質量的基本粒子，很多人認為中微子就是馬約拉納費米子。這里要說明，現在所有的發(fā)現，都不是真正看到了馬約拉納費米子，而是發(fā)現了‘符合馬約拉納費米子性質的激發(fā)態(tài)’?！?/p>

　　中山大學天文與空間科學研究院院長李淼對此評價說，這個發(fā)現不是基本粒子，而是在極低溫條件之下以及二維材料的邊界上造成的某種量子態(tài)，這個態(tài)滿足中性粒子的要求，即其反態(tài)就是自身。鑒于這種量子態(tài)需要極端條件，距離應用還比較遠，如果我用一句大白話來解釋，就是“凝聚態(tài)物理還沒有攻陷粒子物理”。

　　焦點3

　　馬約拉納費米子藏在哪里？

　　答案：不知道，可能在中微子里。

　　截至目前，又出現了兩個對立的概念，即粒子與準粒子、粒子物理與凝聚態(tài)物理。這組關系才是理解這項科研成果的關鍵所在。

　　根據物理學定義，粒子指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質組成部分，現在已經發(fā)現的粒子達到400多種。按照粒子與各種相互作用的不同關系，將粒子分為三類，媒介子、輕子、強子。按照粒子物理學標準模型認為，基本粒子有費米子和玻色子兩大類，費米子構成物質并通過交換玻色子發(fā)生相互作用。依據超對稱性原理，所有的費米子都存在反粒子，比如正電子就是電子的反粒子。

　　1928年，物理學家保羅·迪拉克做出了一個預測：宇宙中的每個基本粒子都有一個與其對應的反粒子——電荷相反的“雙胞胎”。當粒子與反粒子相遇時，它們會湮滅，同時釋放出一股能量。果然，幾年后第一個反物質——電子的反粒子被發(fā)現。但在1937年，另一位物理學家埃托里·馬約拉納指出了一個反轉：他預測，在一類被稱為“費米子”的粒子(包括了質子、中子、電子、中微子和夸克)中，應該有一些粒子，自己就是自己的反粒子。但馬約拉納費米子被預言之后，截至該項研究成果發(fā)布，粒子物理學中的馬約拉納費米子在過去的80年間了無蹤跡。

　　馬約拉納的預言只針對不帶電荷的費米子，比如中子和中微子?？茖W家們已經找到了中子的反粒子；至于中微子，有很好的理由認為它的反粒子可能就是它本身。目前有4個實驗正試圖驗證這一論斷——比如新墨西哥州的濃縮氙觀測站的最新升級版EXO—200。不過這些實驗難度太大，可能在未來十年內都難以得到結論。

　　焦點4

　　“準馬約拉納費米子”又是什么？

　　答案：符合馬約拉納費米子性質的激發(fā)態(tài)。

　　2013年3月14日，歐洲核子研究組織公開確認：探測到的新粒子是希格斯玻色子，而發(fā)現的手段是在大型對撞機中。而這次發(fā)現的“馬約拉納費米子”，并不是在對撞機或者其它粒子物理的探測設備中被發(fā)現。

　　記者了解到，大約10年前，科學家們意識到馬約拉納費米子還可能在材料物理的實驗中制造出來，于是，一場找到這種粒子的“競賽”在學界拉開了帷幕。他們尋找的，其實是“準粒子”。所謂準粒子是復雜系統(tǒng)的一種物理現象，它雖然不是“真”的粒子，但是其行為就像是一個粒子。在超導材料中，許多電子的集合行為，就能產生出準粒子。

　　實際上，對于馬約拉納費米子的尋找已經從純粹的粒子物理的方式轉變?yōu)槟蹜B(tài)物理的方式。中科院物理研究所研究員戴希表示，當代凝聚態(tài)物理中涉及的這些所謂“新粒子”，無論是外爾費米子還是馬約拉納費米子，都是在“準粒子”或“元激發(fā)”意義上講的。

　　凝聚態(tài)物理學家認為，調控固體材料中大量電子的集體運動模型，可以獲得“準馬約拉納費米子”。在2010年至2015年間，張首晟團隊連續(xù)發(fā)表了多篇論文，闡述了利用磁場調控由量子反?；魻栃∧ず统瑢П∧嫵傻幕旌掀骷械碾娮蛹w運動模式，通過是否存在半整數量子化電導平臺來判定這種準粒子的存在。

　　過去的5年中，科學家們用這凝聚態(tài)物理的研究手段取得了一定成果。曾有研究者表示，在研究超導納米線材的試驗中觀測到了很可能是馬約拉納費米子的痕跡。2016年6月22日，上海交通大學賈金鋒科研團隊宣布，通過一種由拓撲絕緣體材料和超導體材料復合而成的特殊人工薄膜，已在實驗室里成功捕捉到了馬約拉納費米子。

　　但在之前的實驗中，這些準粒子都是被“束縛”的——它們被困在特定的位置，而不會在時空中傳播；而且人們也很難確認這些痕跡是不是也有其他效應的作用。斯坦福大學的報道新聞稿將之形容為“如同犯罪現場還在冒煙的槍”。

　　名詞解釋

　　粒子

　　粒子指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質組成部分，現在已經發(fā)現的粒子達到400多種。而按照粒子物理學標準模型認為，基本粒子有費米子和玻色子兩大類，費米子構成物質并通過交換玻色子發(fā)生相互作用。

　　粒子物理

　　研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構、性質，和在很高能量下這些物質相互轉化及其產生原因和規(guī)律的物理學分支，又稱高能物理學。量子力學、愛因斯坦的相對論等均屬于粒子物理學的范疇。

　　粒子物理所取得的豐碩成果已經在宇宙演化的研究中起著重要的作用，例如以對撞機、粒子加速器、粒子探測器等為主要的探測手段。

　　粒子與準粒子的關系

　　粒子和準粒子的關系就像球員和球隊的關系：一支足球隊中每個球員可以看作是傳統(tǒng)意義上的粒子，球員之間相互配合可以看作是粒子之間的非常復雜的相互作用，雖然每個球員都有自己的特點，但整體上球隊卻會表現出來一個統(tǒng)一的風格。

　　凝聚態(tài)物理

　　凝聚態(tài)物理學是從微觀角度出發(fā)，研究由大量粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態(tài)的結構、動力學過程及其與宏觀物理性質之間的聯系的一門學科。凝聚態(tài)物理是以固體物理為基礎的外向延拓，以萬物皆成于原子為宗旨，以量子力學為基礎研究各種凝聚態(tài)。比如我們所熟知的超導即屬于此范疇。

　　凝聚態(tài)物理學有力地促進了諸如化學、物理、生物物理和地球物理等交叉學科的發(fā)展。與生產實踐密切聯系是它的另一重要特點。

　　準粒子

　　準粒子是凝聚態(tài)物理中一個重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，也就是說把傳統(tǒng)意義上的某種粒子的集體行為的某些表現，看作是一個粒子的行為，即準粒子。

　　“天使粒子”的是怎么被發(fā)現的？

　　1 研究團隊將兩種量子材料——一種超導體和一種磁拓撲絕緣體的薄膜堆疊在一起，其中，上層薄膜是一種超導體，底層則是一種拓撲絕緣體。

　　2 整個儀器放在低溫真空室里，讓電流從中通過，由于底層是一種拓撲絕緣體，因此電流只會在其表面或邊緣傳導，而不經過其內部。它們在一起形成了一種超導—拓撲絕緣體，電子毫無阻力地沿著材料表面的兩個邊緣流動，如同高速公路上飛馳的汽車。

　　3 研究人員在薄膜堆上掃過一塊磁鐵，通過添加少量的磁性材料來調整拓撲絕緣體，使電子沿著表面兩邊的電子沿著相反的方向流動。

　　4 電子流動方向的變化并不連續(xù)，而是一步步地突然發(fā)生，就像在樓梯上的一級級臺階一樣。在這個循環(huán)中的某些時刻，馬約拉納費米子的證據就出現了。它們成對地從超導層里誕生，像電子一樣沿拓撲絕緣體的邊緣流動。