“天使粒子”马约拉纳费米子，80年苦寻，科学家终于抓住它的尾巴

1928 年，狄拉克提出了著名的狄拉克方程，狄拉克方程不仅能够计算氢原子光谱的精细结构，还可以自动产生电子的自旋量子数，并且狄拉克方程为了解释负能态，还提出了狄拉克之海。

因为狄拉克方程可解出自由电子的负能态，按能量最低原理，物质世界的电子都应跃迁到负能级上，由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，这正是真空所具有的物理性质。物质世界就像是浸没在负能级电子的海洋中，这就是狄拉克之海。

按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-e，所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为+e的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子”，即正电子。狄拉克方程预言了正电子的存在。狄拉克之海也是对正电子存在的描述。

狄拉克之海

科学家认为，这个宇宙起初是由无数物质(电子)和反物质(正电子)构成的，物质和反物质的湮灭产生的无数的正负电子对就是所谓的迪拉克之海，也就是构成这个世界的基础。宇宙中物质多过反物质，所以未湮灭的物质构成了我们现在生活的这个世界。尽管这些粒子是不可观察的，但它们决不是虚幻的，如果用足够的能量就可以形成，哪里有物质，哪里就有迪拉克之海，想象观察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。

简而言之，在物理学领域，构成物质的最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质，也是组成各种各样物体的基础。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。

狄拉克方程做出了一个伟大的预言：宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。根据爱因斯坦E = mc2的质能公式，当一个费米子遇上它的反粒子，它们会相互湮灭，从而使两个粒子的质量消失并转化为能量。

1930 年，年仅 28 岁赵忠尧在人类史上第一次从实验上看到了正负电子对产生和湮灭的过程，而这是世界上最早发现的正电子存在的证据，可惜后来身为赵忠尧好朋友的安德森借鉴了赵忠尧的实验原理，在 1932 年也发现了正电子，由此获得了 1936 年诺贝尔奖。

正电子的被发现更加证明了狄拉克方程的正确性，从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。

这个时候，科学家提出了一个疑问：

会不会存在一种粒子，是正反同体的呢？

1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳就在他的论文中猜测有这样的粒子存在，马约拉纳在物理史上是一个谜一样存在的人物，也是物理史上最牛的计算天才，甚至超越了费米。

费米的计算能力甚至可以和瞎了的欧拉相提并论，当奥本海默爆炸原子弹的时候，他就站在很远之外，手里拿张纸，撕成碎纸片。原子弹的冲击波来了，他把纸一扔，然后根据纸片被卷走的高度、速度和距离计算释放的能量值。冲击波走了，他就算出来了，而且和精密仪器测试的结果不相上下……

然而借助纸笔的费米在和只靠脑子的马约拉纳PK计算能力的时候，居然打成了平手，所以费米认为马约拉纳以后一定能比肩牛顿伽利略。马拉多纳在 1937 年发表了人生最后一篇文章，随后神秘失踪，因为他的传奇经历，他多次成为科幻小说或电影的主角，甚至还有关于他的科幻连环画集。

在这人生最后的一篇论文里，马约拉纳预言了一种可能的自然界组成的基本单元，这是一种中性无任何（电）荷的、满足相对论量子力学、自旋1/2的粒子，可以看作是狄拉克粒子（除中微子外，标准模型中的所有费米子都是狄拉克费米子）的一半。这种粒子就被称为马约拉纳粒子。

要知道，玻色子的自旋（类似于陀螺绕自身的旋转）都是一个基本单位（h-bar）的整数倍。如2012年发现的“希格斯”粒子自旋为零，而光的基本单元“光子”自旋为1，引力波的基本单元“引力子”自旋为2，他们都是“玻色子”。

而费米子的自旋是这个基本单位的半整数倍，如电子与中微子的自旋都是1/2。基本粒子也都有相应的反粒子。电子的反粒子是正电子，而光子的反粒子却是它本身。

但是马约拉纳却称有这样一种正反同体的粒子存在，证明这种粒子的确切存在，对我们了解大自然的最终奥秘可能是一把关键的钥匙。因此，实验上找到基本的马约拉纳粒子成为当今人类最重要的基础科学问题之一，入选《科学》杂志在本世纪初列出的人类现阶段最重要的125个科学问题 。

自此以后，寻找这一神奇粒子成为了物理学家门梦寐以求的探索目标。

然而在后来的实验中，科学家却发现，费米子都带有某种“荷”把粒子与反粒子区分开来，比如正反电子的 “电荷” 是相反的。

虽然中子没有电荷,但是中子有自旋和磁矩,而且构成中子的夸克是有电荷的,所以中子是有反粒子的，称为 “反中子”。

1954年，在加利福尼亚大学的劳伦斯辐射实验室，建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器，为寻找反粒子（反质子是质子的反粒子，其质量及自旋与质子相同，且寿命也与质子相当，但电荷及磁矩则与质子相反，带有与电子相同的负电荷。与质子相遇时会湮灭，转化为能量）创造了条件。

1955年，张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一年人们所观测的反质子的存在。由于反质子出现的机会极少，大约每1000亿高能质子的碰撞，才能产生数量很少的反质子，因而证实反质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个反质子，才总算得到了比较可信的数据。

1956年他们又在美国加州伯克利实验室发现了反中子，尽管高能粒子打靶时也能产生反中子，但是由于反中子不带电，更难从其他粒子中鉴别出来。他们是利用反质子与原子核碰撞，反质子把自己的负电荷交给质子，或由质子处取得正电荷，这样，质子变成了中子，而反质子则变成了反中子。

反中子的发现似乎给马约拉纳粒子下了判决书，这种中性的、粒子与反粒子不可分辨的费米子，在现实世界里并不存在。

当然科学家们还不死心，他们还想通过验证无中微子的双β衰变实验来证明马约拉纳粒子的存在，也就是说在粒子物理中，标准模型范畴之外的中微子可能是马约拉纳粒子。

β衰变

双β衰变是原子核的一种稀有衰变模式。这一过程中原子核中的一对中子转变为一对质子（或者相反的转变），同时从原子核中释放出一对电子（或一对正电子）和一对反中微子（或者一对中微子）。

温德尔·弗里于1939年提出若中微子为马约拉纳粒子的话，则双β衰变能够在不射出任何中微子的情况下进行，这个过程现在被称为无中微子双β衰变。

也就是说正常的双β衰变产生两个反中微子（左图）。但如果中微子是马约拉纳粒子，它有可能不在衰变产物中出现，这就是科学家们努力寻找的“无中微子的双β衰变实验”。

然而这个实验的难度极高，这项实验所要求的精度即使再过 10 年都很难达到。最早在实验室成功观测到双β衰变的是加州大学尔湾分校迈克尔·莫伊的团队，他们于1987年到硒-82的这个过程。自此以后，不少实验都成功观测到其他同位素的寻常双β衰变。但上述实验中没有一个能为无中微子过程提供正面的结果。

就这样兜兜转转 80 年，科学家对于证实马约拉纳粒子存在的研究还是处于原地踏步阶段，直到清华大学薛其坤的一项重大成果让马约拉纳粒子的研究出现了突破口。那就是薛其坤发现的量子反常霍尔效应。

我们先来了解一下什么是量子霍尔效应，我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

早在2008年，张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应，最终被薛其坤证实。

薛其坤团队经过近4年的研究，生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这项成果具有极为重大的意义，在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备低能耗的高速电子器件，将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。凭借这项发现薛其坤获得了2018年度国家自然科学奖项中唯一的一等奖。

在薛其坤发现了量子反常霍尔效应之后，张首晟敏锐地发现了量子反常霍尔效应与马约拉纳粒子存在关联，他把突破口转向凝聚态物理。因为在量子反常霍尔效应实验中，随着调节外磁场，反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台，对应着1、0、-1倍基本电阻单位e2/ h。也就是说，量子世界里的电阻是量子化的，它只能整数倍地跳台阶。

张首晟

这给了张首晟一个灵感：马约拉纳粒子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整数跳，马约拉纳粒子或许就是按半整数跳——它一定会呈现出一个奇特的“1/2台阶”。

由此从2010年到2015年，张首晟团队连续发表三篇论文，他们预言，马约拉纳粒子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时，临近效应使之能够实现手性马约拉纳粒子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应 1/2 倍基本电阻单位 e2/ h。

张首晟是少年天才，他没有念过高中，就直接进入了复旦大学学习，后来师从杨振宁，他发现的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一。基于他对拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应的开创性研究，张首晟已包揽物理界所有重量级奖项，包括欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖、尤里基础物理学奖和富兰克林奖章。被誉为已经提前锁定诺贝尔奖的物理学家，却不明不白地在 2018 年去世，享年 55 岁。

这个时候加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队进行了联手。

1987年出生的寇煦丰在上海科技大学任教，主要研究领域包括新型半导体电子材料研究以及相应微纳电子/自旋电子器件应用。原香港科技大学工程学院院长王康隆在纳米电子学、自旋电子学、以及拓扑量子计算等领域做出了杰出的贡献，是Si/Ge应变场效应管、量子SRAM、能带准直超晶格结构的发明人。同为 80 后的何庆林也是一个年轻的小伙子，当时只有30岁左右，主要研究马约拉纳费米子为基础的量子计算和新型拓扑磁电材料等方向。

何庆林、王康隆、潘磊

之所以会有这个提议，是因为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。而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。

经历过 3000 多样品失败， 3000次重来王康隆等实验团队确实看到了“1/2的台阶”。这半个基本电阻来源于马约拉纳粒子作为半个传统粒子的特殊性质，因此，多出来的半整数量子平台为手性马约拉纳粒子的存在提供了有力的印证。

何庆林、王康隆实验团队和夏晶实验团队在与张首晟理论团队合作下所测量到的与理论预测符合的半量子电导平台，这为马约拉纳粒子的发现提供了直接而有力的实验证据。

学术期刊《科学》在线发表四位华人科学家领衔的科研团队的最新研究成果《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模》，这让我们距离彻底揭开马约拉纳粒子的神秘面纱又近了一步。

但是，科学家还没有真正地捕捉到马约拉纳粒子，发现了符合马约拉纳费米子性质的激发态，但是意义也非常重大，充分证实了这种马约拉纳准费米子的存在。以及在量子信息学等应用领域具有重要的现实意义，可以说万里长征才开始了第一步，希望未来有一天，科学家能够真正把马约拉纳粒子俘获！