华裔科学家张首晟及其团队发现“天使粒子”：改变世界基础物理

7月21日凌晨，张首晟及其团队在美国科学杂志上发表了一项重大发现：在整个物理学界历经80年的探索之后，他们终于发现了手性Majorana费米子的存在。

这一发现，验证了由意大利理论物理学家Ettore Majorana在80年前提出的预测存在一类没有反粒子的粒子。同时也证明了存在一种比量子还小的单位，这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

张首晟将这一新发现称为“天使粒子”。普通群众可能暂时难以理解这一发现，但是对基础物理界来说，这或将开启一个新的时代。

80年漫长的寻觅

1928年，英国理论物理学家保罗狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）提出了著名的狄拉克方程式。这一发现，从理念上预言了正电子的存在，狄拉克提出：宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。

狄拉克和刻在他墓碑上的方程

1932年，美国物理学家安德森在研究宇宙射线时，无意间发现了狄拉克预言的正电子。从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。

目前，正电子也被广泛应用到人类生活之中，医学影像技术PET(Positron Emission Tomography, 正电子发射断层扫描) 就是其中之一。

张首晟向凤凰科技表示：“根据以往的认知，我们似乎生活在一个充满正反对立的世界。比如有正数必有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有善必有恶，有天使必有恶魔。”

但是，在1937年，也就是整整80年前，Ettore Majorana做出这样一个大胆的猜测：会不会有一类没有反粒子的粒子，或者说它们自身就是自己的反粒子。这个粒子被后来的物理学界称之为Majorana费米子，并和希格斯波色子、引力子、磁单极、暗物质等一起被视为人类最为梦寐以求的神秘粒子。

Ettore Majorana

从那开始，寻找这一神奇粒子也就成了物理学中许多领域研究工作的崇高目标。

在物理学里，存在两大分支，分别是粒子物理和凝聚态物理。

在粒子物理中，标准模型范畴外的中微子被认为最可能是Majorana费米子，而且这一猜测是有可能被“无中微子的beta双衰变”实验所验证。但这项实验所要求的精度在今后的10年到20年以内都难以达到。

而在张首晟所研究的凝聚态物理中，Majorana费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。

在2010年到2015年之间，张首晟与其团队连续发表三篇论文，精准预言了在哪里能够找到Majorana费米子，继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。

他们预言手性Majorana费米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。

张首晟团队搜寻手性Majorana费米子的实验平台

在以往的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。

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Majorana 费米子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应?倍基本电阻单位e2/h。

实验中出现的半量子电导平台

这半个基本电阻在某种意义上可以视为半个传统粒子。所以，这多出来的半整数量子平台就提供了有力的证据，证明在时空中传播的手性Majorana费米子的存在。

根据这一理论预言，来自UCLA（由何庆林、王康隆教授领导）和UC Irvine（由夏晶教授领导）的两个实验团队与张首晟教授的理论团队紧密合作，最终在所提出的器件中实验上发现了手性Majorana费米子。

发现手性Majorana费米子

他们在通常的整数量子平台之外，探测到了张首晟团队预言的半整数量子平台。随后的强磁场实验与三端电阻测量进而有力的排除了其他可能的实验噪声与假象。

基础物理与应用的“双突破”

张首晟将发现的手性Majorana费米子称为天使粒子，这一灵感来自于小说《天使与魔鬼》。在Dan Brown的这部小说中，正反粒子的碰撞会将所有质量以能量的形式释放出，从而湮灭整个世界。

而天使粒子的发现，就好像发现了一个完美的世界，这里只有天使，没有魔鬼。

张首晟告诉凤凰科技，天使粒子最重要的意义是改变了基础物理，因为它改变了人们一直认知的正反对立的世界观。

对于每一位物理学家来说，基础物理的研究都是一段极为漫长的过程。一个重大的发现往往需要50年甚至100年的时间，有发现已经是幸运的。也有很多人，可能倾注毕生，最终也没有所获。

1927年第五次索尔维（Solvay）会议参与者（摄于比利时索尔维国际物理研究所）

任何科学的发现，都是站在巨人的肩膀上。张首晟表示，天使粒子的发现，也是建立在量子反常霍尔效应以及拓扑绝缘体的基础上。

不仅如此，不同于其他基本科学从发现到技术应用往往需要多年时间，天使粒子已经可以看到其实际应用的前景。

量子世界本质上是并行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。

然而，一个量子比特的信息非常难以存储，微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。但Majorana费米子没有反粒子，或者说相当于半个传统粒子，便提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的Majorana费米子上。

如此一来，传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个Majorana费米子，进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统的存储方式，比如电子自旋，超导磁通和光子极化，这样存储在远离的两个Majorana费米子上的拓扑量子比特，本质上极其稳固。

也就是说，Majorana费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机，使得有效的量子计算成为可能。

张首晟表示，原先大家已经认为量子是最小的单位，而天使粒子使得一个量子单位可以拆为两半，让量子变得更稳定。

现在，这项科学已经可以开始应用。“谷歌和微软已经提供了支持，未来，在国内也会开始进行应用。”张首晟说。

项目负责人张首晟获得诺奖只是时间问题

几天前，张首晟回到北京为其恩师杨振宁庆祝95岁寿辰。

1963年出生的张首晟，17岁便前往德国柏林自由大学学习。他学的是理论物理专业，这也是杨振宁的专业。

但理论物理的就业面太窄，张首晟一度开始担心自己的前途。但当他来到哥廷根大学附近的一块墓地，看到里面埋葬的一些物理学家都是用其生前发现的公式作为墓志铭，这深深震撼了张首晟。

自此，“用一个公式概括整个世界”成为张首晟的梦想，也让他决定将毕生的精力都贡献给物理学研究。

还有一个选择对张首晟产生了深远的影响。当年在柏林自由大学学习时，张首晟一直将大统一理论当成自己的学术目标。因为这是爱因斯坦努力一生的事业，也是杨振宁的领域。

1987年张首晟博士毕业时与杨振宁的合影

但是当他师从杨振宁时，杨振宁却鼓励张首晟去研究凝聚态物理。杨振宁认为他自己所处的领域要想有所突破已经很难，而凝聚态物理刚刚兴起，发展很快。

最后，张首晟在杨振宁的指导下，开始在凝聚态领域工作。

张首晟2012年获得狄拉克奖

接下来，1996年，年仅33岁的张首晟被评为斯坦福大学终身教授。随后，凭借拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应两项理论的发现，张首晟于2010年获得欧洲物理奖；2012年获得美国奥利弗巴克利奖和狄拉克奖；2014年获得美国富兰克林奖。

张首晟多年被汤森路透预测会得到诺贝尔奖，杨振宁则评价“他获得诺贝尔奖只是时间问题”。不知道天使粒子的发现，是否能让张首晟众望所归。