走进科学
可能我们没有找到天使粒子
理论物理学家Ettore Majorana在1937年预言了一种与自身互为反粒子的不带电的纯中性粒子，后来，在某些物理学家的反复努力下，将其冠上了“天使粒子”的名头——为了蹭上帝粒子的热度。
2017年，科学家通过实验取得了马约拉纳费米子存在的证据。它们的独特性质可被用于构建拓扑量子计算机。
但是最近，由宾州大学物理学助理教授Cui-Zu Chang领导的、宾州大学和德国维尔茨堡大学的联合团队检验了2017年的实验过程。他们发现，当时确认为天使粒子表征，不太可能来自天使粒子。研究的论文发表在2020年1月3日的《科学》上，这也是《科学》期刊上少有的否定性质的研究论文。
“当意大利物理学家Ettore Majorana预言存在自身互为反粒子的基本粒子时，他应该没想到，他的想象力影响如此深远。”宾州大学量子物质科学协同创新中心主任兼物理学教授Nitin Samarth说，“之后80年里，物理学家在宇宙各个角落积极寻找着难以捉摸的马约拉纳费米子。”
粒子物理学家一度怀疑“鬼魂粒子”中微子可能就是马约拉纳费米子。在完全不同的方向上，凝聚态物理学家在结合了奇异量子材料和超导体的固态器件中发现了表现为马约拉纳粒子的准粒子。在这样的设备中，通过将由量子力学、相对论物理学和拓扑学等核心内容编织在一起，使电子呈现出理论上马约拉纳费米子的性质。马约拉纳费米子的这种拟制形式特别引起了凝聚态物理学家的关注，因为它可以为构建拓扑量子计算机提供途径。”
“朝遥远的拓扑量子计算机迈出的重要一步是，证明在冷凝物中存在马约拉纳费米子的确切实验证据。在过去7年左右的时间里，一些实验室声称，观察到了这种证据，但这些结果仍存在争议。”
该团队研究了被称为“量子异常霍尔绝缘体”的材料，其中电流仅在边缘流动。之前有研究预测，当边缘电流与超导体完全接触时，会产生超导性的手性马约拉纳费米子，且器件的电导率应“半量子化”(值e2/2h，其中e为电子电荷，h是受到精确磁场作用的普朗克常数)。宾夕法尼亚州立大学—维尔茨堡分校团队用不同材料制造了3打器件，发现具有纯超导触点的设备始终显示半量子化，而与磁场条件无关。发生这种情况是因为超导体的作用就像电短路一样，因此无法证明马约拉纳费米子的存在性。
什么意思呢？在材料中生成马约拉纳费米子的准粒子，会伴随器件电导率“半量子化”的现象，但是，新研究发现，超导体引发的短路效应也会导致电导率“半量子化”，所以上述特征就不具有说服力。
“实际上，宾州州立大学和维尔茨堡的两家实验室使用多种配置获得了完全一致的结果，这一事实使人们对理论上以往实验的有效性产生严重怀疑，并质疑2017年观察到天使粒子的说法。”宾夕法尼亚州立大学物理学名誉教授Moses Chan说。
宾夕法尼亚州立大学的博士后研究助理Morteza Kayyhaha说：“我仍然乐观地认为，量子异常霍尔绝缘体和超导电性的结合对于实现手性马约纳拉是有吸引力的方案。但是我们的理论家需要重新考虑材料的几何形状。”
本文译自 sciencealert，由 majer 编辑发布。