在我們生活的世界中，所有物質(zhì)都是由一系列基本粒子組成。這些形形色色的粒子中，有些早已被我們熟知，如光子；但有些粒子由于其自身獨(dú)特的性質(zhì)，一直養(yǎng)在深閨人未識(shí)。

近日，由加州大學(xué)洛杉磯分校教授、上?？萍即髮W(xué)特聘教授王康隆課題組主導(dǎo)，上?？萍即髮W(xué)、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)爾灣分校等學(xué)校共同參與的科學(xué)團(tuán)隊(duì)在尋找神秘粒子-馬約拉納費(fèi)米子（Majorana Fermions）方面取得了重大進(jìn)展，在量子反?；魻枒B(tài)與超導(dǎo)態(tài)共存的異質(zhì)結(jié)體系中首次實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到了一維手性馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)，2017年7月21日，成果以“Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure”為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Science》上。我校信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院寇煦豐教授作為共同通訊作者參與了工作完成，上科大是合作單位之一。

在粒子物理學(xué)中，基本粒子是組成物質(zhì)最基本的單位，在目前的標(biāo)準(zhǔn)模型理論的架構(gòu)下，構(gòu)成物質(zhì)的基本物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子（如夸克和輕子），而傳遞作用力的粒子都是玻色子（如光子和希格斯子）。1928年，物理學(xué)家保羅×狄拉克提出這些基本粒子都有一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的反粒子，其狀態(tài)與粒子本身相反；而當(dāng)粒子與反粒子相遇時(shí)，他們會(huì)湮滅，同時(shí)釋放出一股能量。在目前已知的粒子中，費(fèi)米子都存在反粒子。但1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷×馬約拉納預(yù)言在自然界中可能存在一類(lèi)特殊的費(fèi)米子，它們的反粒子就是它們自身，這種費(fèi)米子也因此被稱(chēng)為馬約拉納費(fèi)米子。因?yàn)檫@種集粒子與反粒子為一體的“怪胎”本身呈電中性，因此在此后近80年的時(shí)間里，科學(xué)家一直試圖找尋它的蹤跡，卻一直不識(shí)廬山真面目。直到最近十年，隨著拓?fù)浣^緣體的出現(xiàn)，科學(xué)家們意識(shí)到在其與超導(dǎo)體結(jié)合的體系中，由于電子的集合行為，我們因此可以人為地制造行為與馬約拉納費(fèi)米子相同的“準(zhǔn)粒子”。

在此次實(shí)驗(yàn)中，加州洛杉磯分校和上?？萍即髮W(xué)的團(tuán)隊(duì)正是在斯坦福大學(xué)張首晟教授2015年關(guān)于量子反常霍爾絕緣體與超導(dǎo)體結(jié)合的體系中可能存在馬約拉納費(fèi)米子這一理論預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，利用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)成功制備了高質(zhì)量的二維磁性拓?fù)浣^緣體-鈮金屬異質(zhì)結(jié)器件，使其在低溫下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的量子反?；魻枒B(tài)和超導(dǎo)態(tài)并存的手性拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)（chiral topological superconductor）。隨后，上述團(tuán)隊(duì)通過(guò)施加外加較小的磁場(chǎng)（±0.3T）在不破壞超導(dǎo)的情況下實(shí)現(xiàn)了手性拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)N從+2→+1→0→-1→-2的量子相變，并成功在N =±1的奇異量子相中首次實(shí)驗(yàn)測(cè)量到了半整數(shù)量子電導(dǎo)，從而捕捉到了行為相當(dāng)于1/2電子的一維手性馬約拉納費(fèi)米子。

這一重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓我們離徹底揭開(kāi)馬約拉納費(fèi)米子的神秘面紗又近了一步。此外，與利用電子或光子作為信息載體的傳統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)不同，使用馬約拉納費(fèi)米子的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)對(duì)外在噪聲的抵抗力更強(qiáng)，因此容錯(cuò)性（fault-tolerant）更出色。因此這項(xiàng)工作為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了新的思路。

論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/357/6348/294

磁性拓?fù)浣^緣體——超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)器件（左）；半整數(shù)量子電導(dǎo)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)（右）。