马约拉纳费米子的特性及其发现的意义

美国东部时间6月21日（北京时间6月22日），国际顶级物理学刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合作者率先观测到物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子（Majorana fermion）的论文。在物理学领域，基本粒子有两大家族：费米子家族（如电子、质子）和玻色子家族（如光子、介子），分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为，每一种粒子都有它的反粒子，费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样但脾气完全相反的双胞胎兄弟，两兄弟一见面就“大打出手”，产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。然而在1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，其反粒子不但和自己长相一样，脾气也完全相同。可以说，它们的反粒子就是自身，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。但是，过去近80年中，物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。2015年底，贾金锋团队及其合作者终于直接观察到了由马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流，这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。2016年初，研究团队发现理论计算的结果完全支持实验观测到的结果。

找到马约拉纳费米子意味着人类在量子物理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计算成为可能。量子计算机是一种基于量子物理机制处理数据的计算机，它速度惊人，使用普通计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题，在量子计算机看来是小菜一碟。迄今没有制造出真正意义上的量子计算机很重要的一个原因是，目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定，电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的状态非常稳定，这是量子计算机的制造变成现实的一个关键。

（魏亮/摘编自中青在线2016-06-23《上海交大宣布其科研团队“捕获”马约拉纳费米子》，作者：周凯）