寻找马约拉纳费米子

拓扑超导表面态是个什么态？马约拉纳费米子是个什么子？这两个高深的物理概念，大多数普通人作为物理“麻瓜”可能连完整读出来都有难度。

最近，中国科学院物理研究所（以下简称中科院物理所）科研人员与合作者利用超高分辨率角光电子能谱仪，在一种铁基超导体上发现了拓扑超导表面态。目前，基于前期在高温超导材料中的理论和实验积累，研究人员正在开展后续研究工作，目标直指马约拉纳费米子。

基于量子力学理论预言

故事要从“基本粒子”开始。探寻世界构成的基本单位，是上百年来物理学家孜孜不倦的追求。他们把构成物质最小、最基本的单位称为“基本粒子”。量子力学领域按照其占据能量状态的不同，把基本粒子分为玻色子和费米子两大家族。玻色子负责传递相互作用力，费米子则负责构成物质。

“比如，光子、引力子是玻色子，而电子属于费米子。”中科院物理所研究员丁洪告诉《中国科学报》记者。人们熟知的中子、质子等也都是费米子。

围绕费米子的特点，理论物理学家狄拉克、外尔和马约拉纳利用量子力学和相对论进行了数学运算，预言了三种不同的费米子。这三种费米子都以它们的预言者冠名，分别是“狄拉克费米子”“外尔费米子”和“马约拉纳费米子”。

其中，1937年意大利物理学家马约拉纳猜测，自然界应该存在正反粒子相同的费米子。不久后，这位科学家在一次旅行中失踪。和马约拉纳的命运一样，他在理论中预言的这种费米子让物理学家着迷。目前，高能物理学家认为中微子可能是马约拉纳费米子，但还缺乏确凿的实验证据。

固体“宇宙”提供新思路

一直以来，高能物理学家围绕在真实宇宙中寻找基本粒子付出了大量努力。例如，2012年，欧洲核子研究中心（CERN）宣布在大型对撞实验中发现希格斯玻色子，这项成果荣膺2013年诺贝尔物理学奖。

在费米子家族里，科学家们已经在真实宇宙中证实了狄拉克费米子存在，而外尔费米子和马约拉纳费米子在真实宇宙中还没有被发现。

近年来，凝聚态物理为寻找基本粒子开拓了新思路。在丁洪看来，在固体材料中的“宇宙”里，亿万个电子和原子核通过相互作用形成一种决定母体材料性质的准粒子，这些准粒子与基本粒子可能遵循相同的物理规律。

2015年，来自美国和中国的两个研究小组几乎同时宣布在固体材料上发现了符合外尔方程预言的外尔费米子。其中，丁洪领导的合作团队利用了上海光源的“梦之线”，在砷化钽晶体中证实了这种没有质量、具有相反手性的外尔费米子存在。他们在《物理评论X》（PRX）发表的文章今年初入选了美国物理学会为纪念《物理评论》创刊125周年制作的经典论文集，该论文集收录了49项具有里程碑意义的工作，其中36项工作获得了诺贝尔奖。

同时，和真实宇宙不同的是，固体材料由一个个分立的单元组成的特性则导致固体“宇宙”不连续，不具有光速不变的性质。“这使固体‘宇宙’中可能存在新型费米子。”丁洪表示。去年丁洪领导的合作团队在磷化钼晶体中发现了超出狄拉克—外尔—马约拉纳传统类型的费米子——三重简并费米子。研究成果在《自然》上发表，并入选2017年中国十大科学进展。

拓扑超导带来希望

当前，在固体材料中寻找马约拉纳费米子已成为各国物理学家关注的焦点。2014年前后，丁洪带领的研究团队把视线转向了铁基超导体，他们当时的实验数据已隐隐约约地显示出铁基超导体可能具有拓扑表面态。“拓扑本来是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科。”丁洪介绍。早在二十多年前研究人员就意识到，拓扑超导体极有可能是寻找马约拉纳费米子的突破口。

事实上，在拓扑超导体中，马约拉纳费米子还将具有一种特殊的零维状态，被称为“马约拉纳零能模”。这种零能模对局部变化不敏感，有望作为稳定的量子比特应用在量子计算机上。

不过，一直以来，拓扑超导体往往要通过拓扑材料和超导材料两种叠加才能实现。在丁洪团队开展的这项新研究中，研究人员首次用单种铁基超导体FeTe0.55Se0.45（铁碲0.55硒0.45）制作并证实了稳定存在的拓扑超导表面态。这项研究在今年3月8日的《科学》在线发表。

丁洪介绍，这篇论文最后预言，如果对这种材料施加外部磁场会得到马约拉纳零能模。“对马约拉纳费米子的研究不仅加深了人类对物质世界的认识，也有巨大应用潜力。”他说，“正如对半导体的研究制造出经典计算机一样，马约拉纳费米子将会推动量子计算机的发展。”