在物理學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家把構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位叫做“基本粒子”，它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是構(gòu)成各種各樣物質(zhì)的原材料。

在粒子世界里，住著兩大家族：費(fèi)米子家族（如電子、質(zhì)子）和玻色子家族（如光子、介子），它們分別以物理學(xué)家費(fèi)米和玻色的名字命名。

注：自旋為整數(shù)的粒子是玻色子，自旋為半整數(shù)的粒子是費(fèi)米子。

一般認(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，當(dāng)粒子與反粒子相遇時(shí)會(huì)發(fā)生湮滅現(xiàn)象，兩個(gè)粒子的質(zhì)量消失而轉(zhuǎn)化為能量，符合E = mc 2

然而在1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費(fèi)米子，這種費(fèi)米子的反粒子不但和它自己長相一樣，帶電屬性也一樣。兩兄弟站在一起就像照鏡子，可以說，它們的反粒子就是自己本身，這種費(fèi)米子被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型里的中微子是一種可能的馬約拉納費(fèi)米子。

但是中微子幾乎與其他任何粒子都不發(fā)生反應(yīng)，地球面向太陽的區(qū)域每秒鐘在每平方厘米上都會(huì)穿過大約650億個(gè)來自太陽的中微子，能被實(shí)驗(yàn)室捕捉到的也是個(gè)位數(shù)。盡管科學(xué)家做了很多努力，在過去的近80年中，物理學(xué)家一直都未找到馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)。

【視頻】上海交大：賈金峰科研團(tuán)隊(duì)“捕獲”馬約拉納費(fèi)米子

今年初，神秘粒子蹤跡被中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)

今年初，上海交通大學(xué)大賈金鋒教授研究組與浙江大學(xué)許祝安、張富春研究組，南京大學(xué)李紹春研究組及美國麻省理工學(xué)院傅亮教授等合作形成的研究團(tuán)隊(duì)，率先觀測(cè)到了在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費(fèi)米子的重要證據(jù)。

賈金鋒表示，事實(shí)上，我們所發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子并不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上的粒子，而是一種準(zhǔn)粒子，但它同樣符合馬約拉納的預(yù)言。準(zhǔn)粒子是凝聚態(tài)物理中一個(gè)重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，也就是說把傳統(tǒng)意義上的某種粒子的集體行為的某些表現(xiàn)，看作是一個(gè)粒子的行為（即準(zhǔn)粒子）。這樣可以大大簡化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象的物理機(jī)理。

賈金鋒介紹說，粒子和準(zhǔn)粒子的關(guān)系就像球員和球隊(duì)的關(guān)系：一支足球隊(duì)中每個(gè)球員可以看作是傳統(tǒng)意義上的粒子，球員之間相互配合可以看作是粒子之間的非常復(fù)雜的相互作用，雖然每個(gè)球員都有自己的特色，但整體上球隊(duì)卻會(huì)表現(xiàn)出來一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)格。我們可能不了解隊(duì)中每個(gè)球員的特點(diǎn)以及球員之間的配合情況，但是他們整支球隊(duì)卻像一個(gè)準(zhǔn)粒子一樣可以比較簡單地被認(rèn)識(shí)。

也有科學(xué)家一直認(rèn)為，至今還沒有被直接觀測(cè)到的中性超對(duì)稱費(fèi)米子很可能組成了宇宙中大多數(shù)甚至全部的暗物質(zhì)，而這種中性超對(duì)稱費(fèi)米子可能就是一種馬約拉納費(fèi)米子。因此，觀測(cè)到復(fù)合的馬約拉納費(fèi)米子，對(duì)于揭開暗物質(zhì)的謎團(tuán)也許又進(jìn)了一步。

根據(jù)目前理論及觀測(cè)，我們認(rèn)識(shí)的普通物質(zhì)僅占全宇宙的5%左右，剩下的95%全都是沒有探測(cè)到的暗物質(zhì)和暗能量

“原子指南針”探測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子存在的關(guān)鍵證據(jù)

自然界中至今還沒有發(fā)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體，那么賈金鋒團(tuán)隊(duì)又是怎樣使馬約拉納費(fèi)米子“露面”的呢？

賈金鋒表示，理論預(yù)言，在拓?fù)浣^緣體上面放置超導(dǎo)材料就能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)。這件事情聽起來容易，但卻在材料科學(xué)領(lǐng)域是一大難題。而且，由于在上方的超導(dǎo)材料的覆蓋，馬約拉納費(fèi)米子很難被探測(cè)到。

在2014年，普林斯頓大學(xué)宣布發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子，不過當(dāng)時(shí)只能探測(cè)到粒子的能量為0，符合模型，而無法具體測(cè)量粒子的自旋和空間分布特性，因此不能真正算是真正意義上的發(fā)現(xiàn)。

基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，賈金鋒刻敏銳地意識(shí)到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡來探測(cè)馬約拉納費(fèi)米子?！暗厍蛴心蠘O和北極，同樣，在磁性材料表面的不同位置處也有‘南’與‘北’，這就是材料的磁學(xué)性質(zhì)。自旋極化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個(gè)‘原子指南針’，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)一個(gè)原子的磁性特征，幫助我們找到隱藏在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中的的馬約拉納費(fèi)米子?！?/p>

然而，馬約拉納費(fèi)米子的磁性非常弱，要探測(cè)到它需要有更加靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡。目前，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)擁有的儀器還達(dá)不到所需要的低溫（40mK，比絕對(duì)零度只高0.04K）。怎么辦？

他們一方面積極為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)備，摸索樣品生長條件，準(zhǔn)備磁性針尖等。另一方面，他們四處聯(lián)絡(luò)，尋找有條件的單位。結(jié)果很幸運(yùn)，在微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)2011協(xié)同創(chuàng)新中心內(nèi)，發(fā)現(xiàn)南京大學(xué)剛剛建設(shè)一臺(tái)40mK的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，可以為該實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)充分的實(shí)驗(yàn)條件。隨后，團(tuán)隊(duì)研究人員按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案，用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在“人造拓?fù)涑瑢?dǎo)薄膜”表面的渦旋中心進(jìn)行了仔細(xì)測(cè)量。

2015年底，賈金鋒團(tuán)隊(duì)及其合作者終于直接觀察到了馬約拉納費(fèi)米子存在的有力證據(jù)——能量為0，粒子的自旋符合費(fèi)米子特性，空間分布也與預(yù)言的一致，而且三者是自洽的（一個(gè)條件成立時(shí)，另外2個(gè)條件也成立）。這一發(fā)現(xiàn)最終被發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)這一權(quán)威物理學(xué)期刊。并得到了學(xué)界的廣泛認(rèn)可。

未來量子計(jì)算領(lǐng)域顯身手

找到馬約拉納費(fèi)米子意味著什么？意味著人類在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得了一個(gè)重大突破，同時(shí)也意味著在固體中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算成為可能。這個(gè)發(fā)現(xiàn)或?qū)⒁l(fā)新一輪電子技術(shù)的革命，使人類進(jìn)入拓?fù)淞孔佑?jì)算的時(shí)代。

谷歌準(zhǔn)備研制比普通電腦快一萬倍的量子計(jì)算機(jī)

與普通計(jì)算機(jī)通過二進(jìn)制方式處理數(shù)據(jù)不同，量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子物理機(jī)理處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。它對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度驚人，如果把量子計(jì)算機(jī)比作飛機(jī)的話，那么普通計(jì)算機(jī)只能算是自行車。使用普通計(jì)算機(jī)需要耗費(fèi)巨大計(jì)算資源才能勉強(qiáng)處理的問題，在量子計(jì)算機(jī)看來是小菜一碟。

以天氣預(yù)報(bào)為例，由于現(xiàn)有技術(shù)的局限，現(xiàn)在人們對(duì)天氣的預(yù)測(cè)不可能達(dá)到每次都非常準(zhǔn)確。如果使用量子計(jì)算機(jī)來計(jì)算天氣數(shù)據(jù)，不僅能瞬間運(yùn)算海量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也會(huì)大大提高。當(dāng)然，精確地預(yù)測(cè)天氣對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說還不算什么，它能對(duì)海量已經(jīng)合成的新材料，甚至還能對(duì)未合成的概念材料進(jìn)行系統(tǒng)、精確、高效地計(jì)算，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的進(jìn)步。而科學(xué)家們預(yù)期馬約拉納費(fèi)米子就是制造量子計(jì)算機(jī)的完美選擇之一。

迄今還沒有制造出真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)很重要的原因是，目前用于量子計(jì)算的粒子的量子態(tài)并不穩(wěn)定，電磁干擾或物理干擾可以輕松打亂它們本應(yīng)進(jìn)行的計(jì)算。而馬約拉納費(fèi)米子的反粒子就是自己本身，它的狀態(tài)非常穩(wěn)定。這些屬性或許使量子計(jì)算機(jī)的制造變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)關(guān)鍵，從而幫助人類敲開拓?fù)淞孔佑?jì)算時(shí)代的大門。