UCLA教授与上科大教授合作，首次实验捕获一维手性马约拉纳费米子

在我们生活的世界中，所有物质都是由一系列基本粒子组成。这些形形色色的粒子中，有些早已被我们熟知，如光子；但有些粒子由于其自身独特的性质，一直养在深闺人未识。

近日，由加州大学洛杉矶分校教授、上海科技大学特聘教授王康隆课题组主导，上海科技大学、斯坦福大学、加州大学尔湾分校等学校共同参与的科学团队在寻找神秘粒子-马约拉纳费米子（Majorana Fermions）方面取得了重大进展，在量子反常霍尔态与超导态共存的异质结体系中首次实验观测到了一维手性马约拉纳费米子存在的证据，成果以“Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure”为题，发表在2017年5月21日的国际学术期刊《Science》杂志上。我校信息科学与技术学院寇煦丰教授作为共同通讯作者参与了工作完成，上海科技大学是合作单位之一。

在粒子物理学中，基本粒子是组成物质最基本的单位，在目前的标准模型理论的架构下，构成物质的基本物质粒子都是费米子（如夸克和轻子），而传递作用力的粒子都是玻色子（如光子和希格斯子）。1928年，物理学家保罗×狄拉克提出这些基本粒子都有一个与其对应的反粒子，其状态与粒子本身相反；而当粒子与反粒子相遇时，他们会湮灭，同时释放出一股能量。在目前已知的粒子中，费米子都存在反粒子。但1937年，意大利物理学家埃托雷×马约拉纳预言在自然界中可能存在一类特殊的费米子，它们的反粒子就是它们自身，这种费米子也因此被称为马约拉纳费米子。因为这种集粒子与反粒子为一体的“怪胎”本身呈电中性，因此在此后近80年的时间里，科学家一直试图找寻它的踪迹，却一直不识庐山真面目。直到最近十年，随着拓扑绝缘体的出现，科学家们意识到在其与超导体结合的体系中，由于电子的集合行为，我们因此可以人为地制造行为与马约拉纳费米子相同的“准粒子”。

在此次实验中，加州洛杉矶分校和上海科技大学的团队正是在斯坦福大学张首晟教授2015年关于量子反常霍尔绝缘体与超导体结合的体系中可能存在马约拉纳费米子这一理论预测的基础上，利用分子束外延生长技术成功制备了高质量的二维磁性拓扑绝缘体-铌金属异质结器件，使其在低温下能够实现稳定的量子反常霍尔态和超导态并存的手性拓扑超导态（chiral topological superconductor）。随后，上述团队通过施加外加较小的磁场（±0.3T）在不破坏超导的情况下实现了手性拓扑超导态N从+2→+1→0→-1→-2的量子相变，并成功在N = ±1的奇异量子相中首次实验测量到了半整数量子电导，从而捕捉到了行为相当于1/2电子的一维手性马约拉纳费米子。

这一重要的实验结果让我们离彻底揭开马约拉纳费米子的神秘面纱又近了一步。此外，与利用电子或光子作为信息载体的传统量子计算机不同，使用马约拉纳费米子的拓扑量子计算机对外在噪声的抵抗力更强，因此容错性（fault-tolerant）更出色。因此这项工作为拓扑量子计算机的实现提供了新的思路。

论文链接：http://science.sciencemag.org/content/357/6348/294

磁性拓扑绝缘体——超导异质结器件（左）；半整数量子电导平台的实验观测（右）。