央广网上海6月22日消息(记者吴善阳)日前，重庆交通学院科研团队在实验室里成功捉到了一种化学学家找寻多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。这些粒子既是困惑数学学界80多年的正反粒子同体的特殊费米子，也是未来制造量子计算机的可能候选对象。印度西部时间6月21日（上海时间6月22日），国际顶尖数学学期刊《物理评论快报》（）在线发表了北京交通学院贾金锋院长及其合作者的论文：“ZeroModewithSpinintheofauctor”。通过巧妙的实验设计，贾金锋研究团队率先观测到了在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹。在过去的80年里，粒子化学学家仍然在搜救马约拉纳费米子，此次中国科学家成功“探测”到了它的踪迹，其实离人类踏入量子估算时代的梦想会迈向一大步。
4位中科院教授“站台”，院长亲自参加发布会。6月22日上午，重庆交通学院宣布，该校贾金锋院士科研团队在实验室里成功捕捉到了一种化学学家找寻多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。这些粒子既是困惑数学学界80多年的正反粒子同体的特殊费米子，也是未来制造量子计算机的可能候选对象。
揭露困惑数学学界80年的神秘粒子“面纱”
在数学学领域，科学家把构成物质的最小、最基本的单位称作“基本粒子”，它们是在不改变物质属性前提下的最小容积物质，也是构成各类各样物质的原材料。
在粒子世界里，住着两你们族：费米子家族（如电子、质子）和玻骰子家族（如光子、介子），它们分别以化学学家费米和玻色的名子命名。通常觉得，每一种粒子都有它的反粒子，费米子和它的反粒子如同一对相貌一模一样，但性子完全相反的胞胎兄弟，两兄弟一碰面就“大打出手”，形成的能量甚至会让它们顿时湮没。
但是在1937年，英国化学学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，这些费米子的反粒子不但和它自己样貌一样，性子也完全相同。两兄弟站在一起犹如照穿衣镜，可以说，它们的反粒子就是自己本身，这些费米子被称为“马约拉纳费米子”。粒子化学标准模型里的中微子是一种可能的马约拉纳费米子。并且，令科学家非常头痛的是，要证明这一点却是十分的困难，必须观察到一种所谓的无中微子双贝塔衰变的现象。虽然科学家做了好多努力，但在过去的近80年中，化学学家仍然都未找到马约拉纳费米子存在的证据。
2016年初，中国的科学家总算发觉了这类神秘粒子存在的征兆。重庆交通学院大贾金锋院士研究组与四川学院许祝安、张富春研究组，北京学院李绍春研究组及日本麻省理工大学傅亮院士等合作产生的研究团队，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据。
“事实上，我们所发觉的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子，而是一种准粒子，但它同样符合马约拉纳的预言。准粒子是汇聚态化学中一个重要概念，它是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方式，也就是说把传统意义上的某种粒子的集体行为的个别表现，看作是一个粒子的行为（即准粒子）。这样可以大大简化模型，以便正确叙述个别具体化学现象的化学机理。”贾金锋介绍说，粒子和准粒子的关系如同球队和球员的关系：一支足球员中每位队员可以看作是传统意义上的粒子，球队之间互相配合可以看作是粒子之间的十分复杂的互相作用，即使每位队员都有自己的特色，但整体上球员却会表现下来一个统一的风格。诸如英国国家队可以用传控篮球风格来描述，德国国家队则是彰显了一种逼抢还击战术。我们可能不了解队中每位队员的特性以及球队之间的配合情况，而且她们整支球员却像一个准粒子一样可以比较简单地被认识。
也有科学家仍然觉得，至今还没有被直接观测到的中性超对称费米子很可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质，而这些中性超对称费米子可能就是一种马约拉纳费米子。为此，观测到复合的马约拉纳费米子，对于揭露暗物质的悬案似乎又进了一步。
“原子手册针”探测到马约拉纳费米子存在的关键证据
近80年来，各国科学家从来没有停止对马约拉纳费米子的寻觅，几年前理论化学学家预言，马约拉纳费米子很有可能在拓扑超导体的涡旋中心能找到，但是，自然界中至今还没有发觉拓扑超导体，这么贾金锋团队又是如何使马约拉纳费米子“露面”的呢？
“寻找马约拉纳费米子的过程就是不断突破、不断创新的过程。理论预言，在拓扑绝缘体里面放置超导材料能够实现拓扑超导。这件事情听上去容易，但却在材料科学领域是一大困局。并且，因为在上方的超导材料的覆盖，马约拉纳费米子很难被侦测到。”贾金锋说，在大量实验基础上，她们没有依照大多数人一般的思路往下走，而是反其道而行之。最终，把超导材料放到了下边，使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜，让拓扑绝缘体薄膜的表面弄成拓扑超导体，直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上，观察上去更便捷了，为找寻马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。
在马约拉纳费米子研究的最初阶段，没人晓得这些神秘的粒子会以哪些方式出现，贾金锋团队的研究人员所能做的只是仔细搜救拓扑超导体上的所有蛛丝马迹。其实她们相继找到了一些这些粒子存在的征兆，但仍然不能最终确定这种征兆就一定代表马约拉纳费米子的本征特点。2014年末，一篇理论文章预言了马约拉纳费米子的磁学性质，他立即敏锐地意识到，可以用载流子极化的扫描隧洞显微镜来侦测马约拉纳费米子。“地球有北极和南极，同样，在磁性材料表面的不同位置处也有‘南’与‘北’，这就是材料的磁学性质。载流子极化的扫描隧洞显微镜的针尖具有磁性，它如同一个‘原子手册针’，才能确切地侦测一个原子的磁性特点，帮助我们找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的的马约拉纳费米子。”
但是，马约拉纳费米子的磁性十分弱，要侦测到它须要有愈加灵敏、更低湿度的扫描隧洞显微镜。目前，大连交通学院研究团队拥有的仪器还达不到所须要的高温（40mK，比绝对零度只高0.04K）。如何办？她们一方面积极为实验进行打算，摸索样品生长条件，打算磁性针尖等。另一方面物理学界科学家排名，她们到处联络，找寻有条件的单位。结果很辛运，在微结构科学与技术2011协同创新中心内，发觉北京学院刚才建设一台40mK的扫描隧洞显微镜系统，可以为该实验提供了一个充分的实验条件。此后，团队研究人员根据预先设计好的方案，用载流子极化的扫描隧洞显微镜在“人造拓扑超导薄膜”表面的涡旋中心进行了仔细检测。
2015年末，贾金锋团队及其合作者总算直接观察到了马约拉纳费米子存在的有力证据。“在实验中，我们观察到了由马约拉纳费米子所造成的特有载流子极化电压,这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。”此后，她们又很快与协同创新中心的另外一个成员单位广东学院合作，进行理论估算等。
在2016年初，研究团队发觉理论估算的结果完全支持实验观测到的结果。通过反复对比实验，发觉只有马约拉纳费米子能够形成这些载流子极化电压的现象。至此，马约拉纳费米子的神秘面纱总算被揭露，贾金锋表示，这是她们的实验首次观测到马约拉纳费米子的载流子相关性质,同时也提供了一种用互相作用调控马约拉纳费米子存在的有效方式，还为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接检测的办法。
或在拓扑量子估算领域大展身手
找到马约拉纳费米子意味着哪些？意味着人类在量子化学学领域取得了一个重大突破，同时也意味着在固体中实现拓扑量子估算成为可能。这个发觉或将引起新一轮电子技术的革命，使人类步入拓扑量子估算的时代。
与普通计算机通过二补码形式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子化学机理处理数据的计算机。它对数据的处理速率惊人，假如把量子计算机称作客机的话，这么普通计算机只能算是单车。使用普通计算机须要花费巨大估算资源能够勉强处理的问题，在量子计算机看来是小菜一碟。
以天气预报为例，因为现有技术的局限，现今人们对天气的预测不可能达到每次都十分确切。假如使用量子计算机来估算天气数据，除了能顿时运算海量数据，预测的确切性也会大大增强。其实，精确地预测天气对于量子计算机来说还不算哪些物理学界科学家排名，它能对海量早已合成的新材料，甚至能够对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地估算，为材料科学领域带来革命性的进步。而科学家们预期马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。
据介绍，迄今还没有制造出真正意义上的量子计算机，其中一个很重要的缘由是，目前用于量子估算的粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或化学干扰可以轻松搅乱它们本应进行的估算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，它的状态十分稳定。这种属性似乎使量子计算机的制造弄成现实的一个关键，进而帮助人类敲开拓扑量子估算时代的房门。
作者简介
贾金锋
1987年上海学院化学系结业，1992年上海学院化学系博士结业。先后在日本和韩国工作5年。历任研究员、博士生导师。1996年获中国国家教育委员会科技进步银奖，2000年中国科大学“百人计划”获得者。2001－2002中国科大学"重大创新贡献团队"核心成员（全院排行第一），2003年上海市科学技术奖银奖（第3得奖人）。获2003年"杰出青年"基金，工作被评为"2003年振邦杯中国十大科技进展新闻"。2015年7月31日，荣获中国科大学教授增选初步候选人名单。
主要研究方向：研究工作主要涉及借助扫描隧洞显微镜、低能电子衍射、光电子能谱及各类表面剖析手段研究各类金属、半导体表面/界面的原子结构/电子结构/物理性质、及有机生物分子在表面的吸附等。借助MBE生长低维纳米结构、研究生长动力学，以及量子效应对低维纳米结构电子性质的影响等。主要研究手段包括分子束外延、低温扫描隧洞显微镜/谱、高/低能电子衍射、角区分光电子能谱等。