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　　拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)是個(gè)什么態(tài)？馬約拉納費(fèi)米子是個(gè)什么子？這兩個(gè)高深的物理概念，大多數(shù)普通人作為物理“麻瓜”可能連完整讀出來都有難度。
　　最近，中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱中科院物理所）科研人員與合作者利用超高分辨率角光電子能譜儀，在一種鐵基超導(dǎo)體上發(fā)現(xiàn)了拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)。目前，基于前期在高溫超導(dǎo)材料中的理論和實(shí)驗(yàn)積累，研究人員正在開展后續(xù)研究工作，目標(biāo)直指馬約拉納費(fèi)米子。
　　基于量子力學(xué)理論預(yù)言
　　故事要從“基本粒子”開始。探尋世界構(gòu)成的基本單位，是上百年來物理學(xué)家孜孜不倦的追求。他們把構(gòu)成物質(zhì)最小、最基本的單位稱為“基本粒子”。量子力學(xué)領(lǐng)域按照其占據(jù)能量狀態(tài)的不同，把基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子兩大家族。玻色子負(fù)責(zé)傳遞相互作用力，費(fèi)米子則負(fù)責(zé)構(gòu)成物質(zhì)。
　　“比如，光子、引力子是玻色子，而電子屬于費(fèi)米子?！敝锌圃何锢硭芯繂T丁洪告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。人們熟知的中子、質(zhì)子等也都是費(fèi)米子。
　　圍繞費(fèi)米子的特點(diǎn)，理論物理學(xué)家狄拉克、外爾和馬約拉納利用量子力學(xué)和相對(duì)論進(jìn)行了數(shù)學(xué)運(yùn)算，預(yù)言了三種不同的費(fèi)米子。這三種費(fèi)米子都以它們的預(yù)言者冠名，分別是“狄拉克費(fèi)米子”“外爾費(fèi)米子”和“馬約拉納費(fèi)米子”。
　　其中，1937年意大利物理學(xué)家馬約拉納猜測(cè)，自然界應(yīng)該存在正反粒子相同的費(fèi)米子。不久后，這位科學(xué)家在一次旅行中失蹤。和馬約拉納的命運(yùn)一樣，他在理論中預(yù)言的這種費(fèi)米子讓物理學(xué)家著迷。目前，高能物理學(xué)家認(rèn)為中微子可能是馬約拉納費(fèi)米子，但還缺乏確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
　　固體“宇宙”提供新思路
　　一直以來，高能物理學(xué)家圍繞在真實(shí)宇宙中尋找基本粒子付出了大量努力。例如，2012年，歐洲核子研究中心（CERN）宣布在大型對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，這項(xiàng)成果榮膺2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
　　在費(fèi)米子家族里，科學(xué)家們已經(jīng)在真實(shí)宇宙中證實(shí)了狄拉克費(fèi)米子存在，而外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子在真實(shí)宇宙中還沒有被發(fā)現(xiàn)。
　　近年來，凝聚態(tài)物理為尋找基本粒子開拓了新思路。在丁洪看來，在固體材料中的“宇宙”里，億萬個(gè)電子和原子核通過相互作用形成一種決定母體材料性質(zhì)的準(zhǔn)粒子，這些準(zhǔn)粒子與基本粒子可能遵循相同的物理規(guī)律。
　　2015年，來自美國和中國的兩個(gè)研究小組幾乎同時(shí)宣布在固體材料上發(fā)現(xiàn)了符合外爾方程預(yù)言的外爾費(fèi)米子。其中，丁洪領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊(duì)利用了上海光源的“夢(mèng)之線”，在砷化鉭晶體中證實(shí)了這種沒有質(zhì)量、具有相反手性的外爾費(fèi)米子存在。他們?cè)凇段锢碓u(píng)論X》（PRX）發(fā)表的文章今年初入選了美國物理學(xué)會(huì)為紀(jì)念《物理評(píng)論》創(chuàng)刊125周年制作的經(jīng)典論文集，該論文集收錄了49項(xiàng)具有里程碑意義的工作，其中36項(xiàng)工作獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
　　同時(shí)，和真實(shí)宇宙不同的是，固體材料由一個(gè)個(gè)分立的單元組成的特性則導(dǎo)致固體“宇宙”不連續(xù)，不具有光速不變的性質(zhì)。“這使固體‘宇宙’中可能存在新型費(fèi)米子?！倍『楸硎?。去年丁洪領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊(duì)在磷化鉬晶體中發(fā)現(xiàn)了超出狄拉克—外爾—馬約拉納傳統(tǒng)類型的費(fèi)米子——三重簡并費(fèi)米子。研究成果在《自然》上發(fā)表，并入選2017年中國十大科學(xué)進(jìn)展。
　　拓?fù)涑瑢?dǎo)帶來希望
　　當(dāng)前，在固體材料中尋找馬約拉納費(fèi)米子已成為各國物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。2014年前后，丁洪帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)把視線轉(zhuǎn)向了鐵基超導(dǎo)體，他們當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已隱隱約約地顯示出鐵基超導(dǎo)體可能具有拓?fù)浔砻鎽B(tài)?！巴?fù)浔緛硎茄芯繋缀螆D形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的一個(gè)學(xué)科?！倍『榻榻B。早在二十多年前研究人員就意識(shí)到，拓?fù)涑瑢?dǎo)體極有可能是尋找馬約拉納費(fèi)米子的突破口。
　　事實(shí)上，在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中，馬約拉納費(fèi)米子還將具有一種特殊的零維狀態(tài)，被稱為“馬約拉納零能?！薄＿@種零能模對(duì)局部變化不敏感，有望作為穩(wěn)定的量子比特應(yīng)用在量子計(jì)算機(jī)上。
　　不過，一直以來，拓?fù)涑瑢?dǎo)體往往要通過拓?fù)洳牧虾统瑢?dǎo)材料兩種疊加才能實(shí)現(xiàn)。在丁洪團(tuán)隊(duì)開展的這項(xiàng)新研究中，研究人員首次用單種鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45（鐵碲0.55硒0.45）制作并證實(shí)了穩(wěn)定存在的拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)。這項(xiàng)研究在今年3月8日的《科學(xué)》在線發(fā)表。
　　丁洪介紹，這篇論文最后預(yù)言，如果對(duì)這種材料施加外部磁場會(huì)得到馬約拉納零能模?！皩?duì)馬約拉納費(fèi)米子的研究不僅加深了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，也有巨大應(yīng)用潛力。”他說，“正如對(duì)半導(dǎo)體的研究制造出經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，馬約拉納費(fèi)米子將會(huì)推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展?！?br/>　　（原載于《中國科學(xué)報(bào)》 2018-04-25 第1版 要聞)