7月21日凌晨，張首晟及其團(tuán)隊(duì)在美國(guó)科學(xué)雜志上發(fā)表了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：在整個(gè)物理學(xué)界歷經(jīng)80年的探索之后，他們終于發(fā)現(xiàn)了手性Majorana費(fèi)米子的存在。

這一發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證了由意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana在80年前提出的預(yù)測(cè)——存在一類(lèi)沒(méi)有反粒子的粒子。同時(shí)也證明了存在一種比量子還小的單位，這將對(duì)現(xiàn)在的量子理論帶來(lái)巨大的改變。

80年漫長(zhǎng)的尋覓

1928年，英國(guó)理論物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）提出了著名的狄拉克方程式。這一發(fā)現(xiàn)，從理念上預(yù)言了正電子的存在，狄拉克提出：宇宙中每一個(gè)基本粒子必然有相對(duì)應(yīng)的反粒子。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森在研究宇宙射線時(shí)，無(wú)意間發(fā)現(xiàn)了狄拉克預(yù)言的正電子。從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認(rèn)為是永恒不變的真理。

但是，在1937年，也就是整整80年前，Ettore Majorana做出這樣一個(gè)大膽的猜測(cè)：會(huì)不會(huì)有一類(lèi)沒(méi)有反粒子的粒子，或者說(shuō)它們自身就是自己的反粒子。這個(gè)粒子被后來(lái)的物理學(xué)界稱(chēng)之為Majorana費(fèi)米子，并和希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質(zhì)等一起被視為人類(lèi)最為夢(mèng)寐以求的神秘粒子。從那開(kāi)始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學(xué)中許多領(lǐng)域研究工作的崇高目標(biāo)。

在物理學(xué)里，存在兩大分支，分別是粒子物理和凝聚態(tài)物理。

在粒子物理中，標(biāo)準(zhǔn)模型范疇外的中微子被認(rèn)為最可能是Majorana費(fèi)米子，而且這一猜測(cè)是有可能被“無(wú)中微子的beta雙衰變”實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所要求的精度在今后的10年到20年以?xún)?nèi)都難以達(dá)到。而在張首晟所研究的凝聚態(tài)物理中，Majorana費(fèi)米子有可能作為某些新奇量子基態(tài)上的準(zhǔn)粒子或元激發(fā)而存在。

在2010～2015年之間，張首晟與其團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表三篇論文，他們精準(zhǔn)預(yù)言手性Majorana費(fèi)米子存在于一種由量子反常霍爾效應(yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中，并指出哪些實(shí)驗(yàn)信號(hào)能夠作為鐵證如山的證據(jù)。

在以往的量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，隨著調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)，反常量子霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)出量子平臺(tái)，對(duì)應(yīng)著1，0，-1倍基本電阻單位e2/h。當(dāng)把普通超導(dǎo)體置于反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時(shí)，臨近效應(yīng)使之能夠?qū)崿F(xiàn)手性Majorana 費(fèi)米子，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中會(huì)多出全新的量子平臺(tái)，對(duì)應(yīng)2/1倍基本電阻單位e2/h。

這半個(gè)基本電阻在某種意義上可以視為半個(gè)傳統(tǒng)粒子。所以，這多出來(lái)的半整數(shù)量子平臺(tái)就提供了有力的證據(jù)，證明在時(shí)空中傳播的手性Majorana費(fèi)米子的存在。

根據(jù)這一理論預(yù)言，來(lái)自UCLA（由何慶林、王康隆教授領(lǐng)導(dǎo)）和UC Irvine（由夏晶教授領(lǐng)導(dǎo)）的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與張首晟教授的理論團(tuán)隊(duì)緊密合作，最終在所提出的器件實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了手性Majorana費(fèi)米子。

他們?cè)谕ǔ５恼麛?shù)量子平臺(tái)之外，探測(cè)到了張首晟團(tuán)隊(duì)預(yù)言的半整數(shù)量子平臺(tái)。隨后的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與三端電阻測(cè)量進(jìn)而有力的排除了其他可能的實(shí)驗(yàn)噪聲與假象。

基礎(chǔ)物理與應(yīng)用的“雙突破”

張首晟將發(fā)現(xiàn)的手性Majorana費(fèi)米子稱(chēng)為天使粒子，這一靈感來(lái)自于小說(shuō)《天使與魔鬼》。在Dan Brown的這部小說(shuō)中，正反粒子的碰撞會(huì)將所有質(zhì)量以能量的形式釋放出，從而湮滅整個(gè)世界。而天使粒子的發(fā)現(xiàn)，就好像發(fā)現(xiàn)了一個(gè)完美的世界，這里只有天使，沒(méi)有魔鬼。

對(duì)于每一位物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)物理的研究都是一段極為漫長(zhǎng)的過(guò)程。一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)往往需要50年甚至100年的時(shí)間，有發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是幸運(yùn)的。也有很多人，可能傾注畢生，最終也沒(méi)有所獲。

任何科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，都是站在巨人的肩膀上。張首晟表示，天使粒子的發(fā)現(xiàn)，也是建立在量子反?；魻栃?yīng)以及拓?fù)浣^緣體的基礎(chǔ)上。

量子世界本質(zhì)上是并行的，一個(gè)量子粒子能夠同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫。所以量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的量子計(jì)算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效。

然而，一個(gè)量子比特的信息非常難以存儲(chǔ)，微弱的環(huán)境噪聲都能夠毀滅其量子特性。但Majorana費(fèi)米子沒(méi)有反粒子，或者說(shuō)相當(dāng)于半個(gè)傳統(tǒng)粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個(gè)量子比特能夠存儲(chǔ)在兩個(gè)距離十分遙遠(yuǎn)的Majorana費(fèi)米子上。

如此一來(lái)，傳統(tǒng)的噪聲極其難以同時(shí)以同樣的方式影響這兩個(gè)Majorana費(fèi)米子，進(jìn)而毀滅所存儲(chǔ)的量子信息。相較于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式，比如電子自旋，超導(dǎo)磁通和光子極化，這樣存儲(chǔ)在遠(yuǎn)離的兩個(gè)Majorana費(fèi)米子上的拓?fù)淞孔颖忍?，本質(zhì)上極其穩(wěn)固。

也就是說(shuō)，Majorana費(fèi)米子能夠用于構(gòu)造穩(wěn)固的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，使得有效的量子計(jì)算成為可能。

現(xiàn)在，這項(xiàng)科學(xué)已經(jīng)可以開(kāi)始應(yīng)用?！肮雀韬臀④浺呀?jīng)提供了支持，未來(lái)，在國(guó)內(nèi)也會(huì)開(kāi)始進(jìn)行應(yīng)用。”張首晟說(shuō)。

獲諾獎(jiǎng)只是時(shí)間問(wèn)題

1963年出生的張首晟，17歲便前往德國(guó)柏林自由大學(xué)學(xué)習(xí)。他學(xué)的是理論物理專(zhuān)業(yè)，這也是其恩師楊振寧的專(zhuān)業(yè)。

但理論物理的就業(yè)面太窄，張首晟一度開(kāi)始擔(dān)心自己的前途。但當(dāng)他來(lái)到哥廷根大學(xué)附近的一塊墓地，看到里面埋葬的一些物理學(xué)家都是用其生前發(fā)現(xiàn)的公式作為墓志銘，這深深震撼了張首晟。

自此，“用一個(gè)公式概括整個(gè)世界”成為張首晟的夢(mèng)想，也讓他決定將畢生的精力都貢獻(xiàn)給物理學(xué)研究。

還有一個(gè)選擇對(duì)張首晟產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)年在柏林自由大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，張首晟一直將大統(tǒng)一理論當(dāng)成自己的學(xué)術(shù)目標(biāo)。因?yàn)檫@是愛(ài)因斯坦努力一生的事業(yè)，也是楊振寧的領(lǐng)域。

但是當(dāng)他師從楊振寧時(shí)，楊振寧卻鼓勵(lì)張首晟去研究凝聚態(tài)物理。楊振寧認(rèn)為他自己所處的領(lǐng)域要想有所突破已經(jīng)很難，而凝聚態(tài)物理剛剛興起，發(fā)展很快。

最后，張首晟在楊振寧的指導(dǎo)下，開(kāi)始在凝聚態(tài)領(lǐng)域工作。

接下來(lái)，1996年，年僅33歲的張首晟被評(píng)為斯坦福大學(xué)終身教授。隨后，憑借拓?fù)浣^緣體和量子自旋霍爾效應(yīng)兩項(xiàng)理論的發(fā)現(xiàn)，張首晟于2010年獲得歐洲物理獎(jiǎng)；2012年獲得美國(guó)奧利弗巴克利獎(jiǎng)和狄拉克獎(jiǎng)；2014年獲得美國(guó)富蘭克林獎(jiǎng)。

張首晟多年被湯森路透預(yù)測(cè)會(huì)得到諾貝爾獎(jiǎng)，楊振寧則評(píng)價(jià)“他獲得諾貝爾獎(jiǎng)只是時(shí)間問(wèn)題”。不知道天使粒子的發(fā)現(xiàn)，是否能讓張首晟眾望所歸。（編輯/起點(diǎn)）