科工力量：天使粒子 是夢幻還是現實
【文/科工力量 柳葉刀】
一項新的研究顯示，2017年研究發現的“馬約拉納費米子”——手性馬約拉納費米子模，也被稱為“天使粒子”，可能僅僅是虛驚一場。
2020年1月3日，由賓夕法尼亞州立大學常翠祖領導的團隊在《科學》期刊發表文章，該團隊研究了超過36種類似於2017年成果報告中用於產生“天使粒子”的設備樣本，卻得到不同的結果，在相似的實驗平台中觀測的結果並非由於“天使粒子”導致。
“天使粒子”的概念由中科院外籍院士、美國斯坦福大學與清華大學教授張首晟提出。2017年，王康隆、張首晟等多位華人科學家共同完成一項工作首次報道，發現了手性馬約拉納費米子模，也被稱為“天使粒子”，引起學術界廣泛關注。
在粒子物理領域，馬約拉納費米子是一種非常特殊的粒子，對應的反粒子就是其本身。因為其獨特的性質可以用來建造拓撲量子計算機，所以物理學家對馬約拉納費米子有着極大的興趣。
馬約拉納費米子 正反同體
物理學中，構成物質最小、最基本的單位被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物理屬性前提下最小體積物質。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子，分別以美國物理學家費米和印度物理學家玻色的名字命名。基本粒子要比原子、分子小得多，現有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。
1928年，物理學家狄拉克預言：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，他們會湮滅，同時釋放出能量。幾年後第一個反物質——電子的反粒子被發現。從此，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。
不過，會不會存在一類沒有反粒子的粒子，或者説正反同體的粒子？1937年，意大利物理學家埃託雷·馬約拉納（Ettore Majorana）猜測，在費米子這類粒子中，應該有一些粒子，自己就是自身的反粒子，即我們今天所稱的“馬約拉納費米子”。
意大利物理學家埃託雷·馬約拉納
馬約拉納費米子一直有個“最佳嫌疑人”，就是中微子，不過，證明這一點需要進行無中微子的beta雙衰變實驗，人類暫時還沒有能力達到相應的實驗精度。因此，一些科學家將目光從粒子物理轉向凝聚態物理。
凝聚態物理學研究的是大量粒子組成的凝聚態結構，一般無法直接觀測到單個粒子。不過，固體材料（比如金屬、非金屬、半導體、超導體）內部的自由電子，在合適的磁場、壓力、温度等外部條件下，會產生特定的集體活動趨勢，可以看作是一個“準粒子”。
“準粒子”實際上是一種複雜系統的一種物理現象，它雖然不是“真”的粒子，但是其行為就像是一個粒子。
若馬約拉納費米子被證實 可助力拓撲量子計算機發展
若馬約拉納費米子的猜想被證實，其在拓撲量子計算機的構建方面，將發揮巨大作用。根據筆者查詢的資料，武漢大學的學者於2017年在《中國經濟報告》發表一篇題為“正反同體的‘天使粒子’”文章，就較為詳細地指出馬約拉納費米子在量子計算中的作用。
量子計算的實現面臨一個非常大的挑戰：一個量子比特的信息非常難以儲存，微弱的環境噪聲就能毀滅其量子特性。量子比特難以儲存的原因來自量子糾纏特性，被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。 以電子的“自旋”為例，兩個相互糾纏的電子對，當其中一個順時針轉時，另一個就逆時針轉，量子糾纏可以預測相隔甚遠的電子對的狀態。
量子糾纏
如果你在某個時刻觀測到其中一個電子在順時針旋轉，那麼另一個在同一時刻必定是在逆時針旋轉。換句話説，如果你對其中一個粒子進行觀測，那麼你不只是影響了它，你的觀測也同時影響了它所糾纏的夥伴，而且這與兩個粒子間的距離無關。
馬約拉納費米子沒有反粒子，或者説相當於半個傳統粒子，這就提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠被拆成兩半，存儲在兩個距離十分遙遠的馬約拉納費米子上。如此一來，傳統的噪聲極其難以同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉納費米子，進而毀滅所存儲的量子信息，使通常非常脆弱的量子比特儲存方式變為穩固。
以馬約拉納費米子所構建的量子比特來進行信息的計算和存儲，其信息量可以存儲在兩個分離的、獨立的馬約拉納費米子中。要破壞它們所存儲的信息必須同時對這兩個粒子進行同樣的干擾。這樣的一個特性可以使拓撲量子計算和存儲過程減少外界的干擾，存儲更加穩定，計算也具有容錯的特性。（該部分參考自《中國經濟報告》：正反同體的“天使粒子”）
發現天使粒子“腳印” 沒見其“真身”
多年來，物理學家為找到“馬約拉納費米子”展開了艱辛的探索。張首晟選擇以凝聚態物理為突破口，在2010年至2015年間發表三篇論文，給出了實現馬約拉納費米子的體系及用以驗證的實驗方案。
而後，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校、美國加利福尼亞大學戴維斯分校、美國加利福尼亞大學歐文分校和上海科技大學等實驗團隊，依照張首晟的理論預測並設計實驗，宣佈發現了“手性馬約拉那費米子模”，並於2017年將研究論文發表在《科學》期刊上。張首晟將這一新發現的“手性馬約拉納費米子模”命名為“天使粒子 ”。
王康隆、張首晟等科學家團隊於2017年將研究成果發表在《科學》期刊上 截圖自《科學》期刊
不過，文章的第一作者、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，這裏要説明，現在所有的發現都不是真正看到了馬約拉納費米子，而是發現了‘符合馬約拉納費米子性質的激發態’”。
在磁性拓撲絕緣體上面再疊加一個超導體，就會組成拓撲超導體，由此將找到“天使粒子”，但將磁性的拓撲絕緣體與超導體疊加並不簡單 圖自王康隆、張首晟等科學家團隊的期刊文章
“天使粒子”被發現後，各大媒體爭相報道，甚至有誤傳説它就是“準粒子”。而《科學中國人》就指出，“就連科研團隊本身，都未曾聲稱找到“馬約拉納費米子”，而是將之稱之為“馬約拉納費米子模”，一字之差，大有文章”。簡單點説就是，發現了“腳印”，並沒有看見“真身”。
在《科學》期刊上的這篇文章，其表述的是該團隊在實驗中觀測到“一維手性馬約拉納費米子模”。實際上，研究團隊在實驗中看到的是一個霍爾效應的“半整數平台”，這是存在馬約拉納型準粒子的一個重要理論預言。對此，麻神理工學院教授文小剛曾表示“這次實驗直接測到的是半整數量子化電導，它間接意味着手性馬約拉納費米子存在的可能性”。
“天使粒子”的實驗觀測現象 可能因“短路”導致
2020年1月3日，美國賓夕法尼亞州立大學常翠祖等科學家在《科學》期刊上發表文章，顯示在相似實驗平台中觀測到的結果並不相同，他們只觀測到一種類似“短路”的現象。
常翠祖研究團隊在《科學》期刊上最新發表的論文 截圖自《科學》期刊
常翠祖領導的賓夕法尼亞州立大學和德國維爾茨堡大學的物理學家團隊，嘗試重複美國加利福尼亞大學洛杉磯分校團隊的實驗結果，卻發現“在毫米級的量子反常霍爾絕緣體與超導體的異質結中的半整數量子化電導平台的邊緣電流不是由手性馬約拉納費米子導致”。
反常量子霍爾絕緣體與超導體的耦合機制形成一種新的拓撲量子態，超導體附着在反常量子霍爾絕緣體的上部（如左圖）；賓夕法尼亞州立大學和德國維爾茨堡大學的實驗表明，該裝置的幾何結構中使用的毫米大小的超導體產生了一個電短路，該現象不符合手性馬約拉納費米子的理論預測（如右圖）； 圖自賓夕法尼亞州立大學官網
該研究團隊測試了三十幾種類似於2017年研究報告中用於產生“天使粒子”的設備樣本，但是此次重複實驗中的現象很難用手性馬約拉納費米子理論預言中的物理模型進行解釋。該研究團隊認為：由於量子反常霍爾絕緣體緊密接觸的超導體將兩側的量子反常絕緣體進行了簡單電學連接，這一“短路”電路導致了觀測到的半整數量子化電導平台。簡單點説，新的重複實驗中，研究人員認為觀測到的半整數量子平台由於“短路”造成，而並非由於“天使粒子”所致。
賓夕法尼亞州立大學首任納米中心主任陳鴻渭（Moses Hung-Wai Chan）表示，“實際上，賓州大學和維爾茨堡的兩個實驗室使用多種設備配置獲得了完全一致的結果，這一事實使人們對理論上提出的實驗幾何的有效性產生嚴重懷疑，並質疑2017年觀察‘天使粒子’的説法”。
不過，賓夕法尼亞州立大學博士後研究員莫蒂扎·凱亞爾哈(Morteza Kayyalha)，也是此次重複實驗的參與者之一，表示，“量子反常霍爾絕緣體和超導性的結合是實現‘手性馬約拉納費米子’的一個有吸引力的方案，不過，我們理論家同事需要重新思考設備的幾何結構”。
結束語
80多年的艱辛探索，馬約拉納費米子如魅影一般難以琢磨，它一度被斷定在凝聚態物理學界的熱門材料上留下“腳印”。因為涉及到拓撲量子計算機的構建，馬約拉納費米子的研究更是意義非凡，但夢幻能否變成現實，有待時間的檢驗。
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