马约拉纳费米子——谜一般的微粒

其实这个世界的万事万物都是有着某些关系和关联的，佛教有云“一沙一世界，一叶一如来。”我们所研究的围观世界，某些程度上反映出了宏观宇宙的规律。而微小的东西正在改变世界，今天我们聊聊量子计算机以及神秘粒子——马约拉纳费米子。这一概念由埃托雷·马约拉纳于1937年提出，他对狄拉克方程式改写得到了马约拉纳方程式，可以描述中性自旋1/2粒子，因而满足这一方程的粒子为自身的反粒子。

马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化的产生及湮没算符表示。产生算符γ†j产生量子态为j的费米子，湮没算符γj则将其湮没（或者说产生相应的反粒子）。狄拉克费米子的γ†j与γj不同，而马约拉纳费米子中两者相同。

丹·布朗的小说及同名电影《天使与魔鬼》就描述过这种正反粒子湮灭爆炸的场景。而马约拉纳费米子则没有正反之分，这也是为什么张首晟称此次发现的是“天使粒子”的原因。他认为，“天使粒子”最重要的意义是改变了基础物理中有正必有反的理论，也改变了人们一直认知的正反对立的世界观。

如果将量子计算机比喻成一架飞机，那么我们现在普通的计算机也就是辆自行车。因此，不仅科技巨头，甚至国家之间都展开了对量子计算机的研究竞赛。目前，马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美候选对象。而前不久，华人科学家在全世界最权威的学术期刊《科学》杂志上发表的关于发现手性马约拉纳费米子边缘模的论文，使我们向量子计算机的这一人类革命性的梦想更加靠近。

　　（《量子反常霍尔效应绝缘体-超导体结构中的手性马约拉纳费米子边缘模》）第一作者——何庆林，同时也是设计和组织安排这一实验的主导者，也是拥有该实验版权的作者之一，更是一位正在规划回国工作的中国人。

左一为何庆林

　　何庆林团队到底采用了何种新奇而不易的实验方法，在全球众多研发团队中，率先取得突破？在这个实验过程中，何庆林团队究竟经历了多少次的失败？马约拉纳费米子到底应该被称作“天使粒子”还是“太极粒子”？发现之后，何庆林团队的下一个目标是什么？……

“天使粒子”或者“太极粒子”？

　　7月21日早上开始“天使粒子”被发现的文章被各大媒体刷屏置顶。这是继上帝粒子被发现之后，物理界又被发现的一个神秘粒子——马约拉纳费米子，而这颗粒子的发现将引发新一轮电子计算革命。论文中所描述的实验由加州大学洛杉矶分校的王康隆团队主导，而王康隆教授的博士后研究员何庆林又是该实验的设计者和课题的组织者。

　　其实，在这篇论文发表之前的2016年，上海交通大学贾金锋教授团队也通过巧妙的实验设计，观察到证明马约拉纳费米子存在的直接证据——自旋极化电流现象。但贾金锋教授研究的马约拉纳费米子是零维版，而何庆林的研究是马约拉纳费米子的一维版。

　　“从实验上来讲，目前全球还没有一篇实验文章能够观察到马约拉纳费米子的一维版。”何庆林解释道，“这是我们本次工作的意义所在，更重要的是，我们是世界上首次观测到马约拉纳费米子的量子化现象。”

　　根据何庆林的实验数据，马约拉纳费米子像是半个电子，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。

　　如果将拓扑量子计算比喻成飞机的话，那么我们现在普通的计算机也就是辆自行车。“马约拉纳费米子是新一代拓扑量子计算的基石，而量子计算可以颠覆传统电子计算机，因为它的计算速度和计算能力都比现在电子计算机强大非常多。”何庆林表示，“这也是为什么很多大企业甚至国家机构都在重金研究它。”

　　在该论文发表之后受到了很大的。主导该工作的加州大学洛杉矶分校教授王康隆认为，马约拉纳费米子正反同体，就像道家的阴阳八卦图一样，因此叫“太极粒子”可能更贴切。

　　同为论文作者之一的张首晟教授认为，“天使粒子”是一个完美的世界，只有天使，没有魔鬼。因此提出这一新发现的手性马约拉纳费米子称为“天使粒子”。

　　对此，作为第一作者的何庆林表示， 因为从物理层面来说马约拉纳费米子阴阳同体且呈现电中性，而且此次成果主要是华人科学家的突破，所以更倾向于“太极粒子”这一富于中国哲学意味的命名。

　　3000多样品失败3000次重来

　　在论文发表之后，何庆林不仅收到了来自家人的祝福，也得到了物理科学家们的肯定。物理学家、中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤向网易科技表示“很优秀”。何庆林表示，此次实验的关键材料之一就是量子反常霍尔效应的材料，而“量子反常霍尔效应”是由薛其坤教授带领他的团队于2013年首次从实验中观测到的。“我们此次实验的成功，离不开前辈们的研究成果。” 何庆林说道，“特别是2013年薛老师团队实验上实现的量子反常霍尔效应对我们的工作起了非常重大的奠基作用。我们这次工作中也是利用了这一效应而实现了新的突破”。

　　其实，欧洲、美国、日本、中国很多团队都在对马约拉纳费米子进行研究。何庆林在2015年加入王康隆教授的团队时提议做马约拉纳费米子的研究。

　　之所以有这样的提议，一是由于何庆林博士研究生的时候就对超导体、拓扑绝缘体进行了研究，比较熟悉；二是王康隆教授有一个非常大的优势是拥有世界上一流的量子反常霍尔效应材料。而这一材料是实验成败的关键因素。

　　“一开始我和潘磊（共同第一作者）拿着第一批样品，跑去美国佛罗里达高磁场国家实验室测试。由于实验时间十分宝贵，我们两人一连十几天熬夜做测试， 24小时的车轮战。佛罗里达实验室地处偏僻，我们每天都是吃美式快餐度过的。 结果做完实验发现数据并没有和预期的一样。”何庆林回忆道，“当时我们也挺怀疑人生的。”

　　但是，何庆林和潘磊没有放弃，而是分析测不出结果的原因，然后将材料、结构重新改良，再去测试。由于去往佛罗里达测试距离太远，为了提高效率，何庆林和团队又将实验搬到加州大学欧文分校的夏晶教授实验室，并得到加州大学戴维斯分校的刘恺教授团队在制备超导材料上的协助，同时，还找理论物理学家一起讨论如何改进实验，包括麻省理工大学教授Liang Fu，也就是最早提出结合拓扑绝缘体和超导体来寻找马约拉纳费米子的理论物理学家；斯坦福大学的王靖博士（现于复旦大学任教授）和廉骉博士；香港科技大学Kam Tuen Law教授；加州理工的Jason Alicea教授；马里兰大学的Das Sarma教授和Jay Sau教授等。“后来我和潘磊开车从UCLA来到夏教授的实验室只要大概两个多小时的来回车程，效率大大地提高了。”

　　“在科研的过程中，实验做不出预想的结果是非常正常的。 关键是整理和思考出每次实验结果不理想的原因，不要随便放弃。”何庆林表示，“整个项目过程中，我的导师王教授给我们的工作提供了非常多的指导、帮助和支持。论文的其他作者都给予我很大的帮助，特别是我们UCLA团队的车潇雨（王康隆教授的博士研究生），殷亘博士（王教授的博士后研究员）和寇煦丰博士（王教授的博士研究生，现任上海科技大学教授），Alexander L. Stern(夏晶教授的学生)和Edward C. Burks(刘恺教授的学生)等。”他还表示，“张首晟教授团队在这次研究项目中给予我们理论支持。他们团队的王靖博士（张教授的博士后研究员）和廉骉博士（张教授的博士研究生）和我们讨论了这个项目中的理论，他们还撰写了相关的理论计算”。

　　终于在2016年年中的时候，何庆林和团队发现了一些比较肯定的数据证明马约拉纳费米子边缘模的存在。因此，在反复实验得到确切数据之后，何庆林开始着手写论文。

　　据了解，《科学》审稿人一年内前前后后审核了三轮，每轮都提出了很多问题，而每次何庆林和团队都需要花二三十页去回答审稿人的疑惑。最终，论文2017年7月份发表。

　　未知世界的大门已经打开，相信迎接我们的会是一个个的惊喜。