科技猎中国科学家观察到马约拉纳零能模――一个状态数都不是整数的怪兽，拓扑量子计算的构件
赛先生/文
6月22日，上海交通大学贾金锋教授领导的科研团组召开新闻发布会，重点介绍了他们的最新发现――在实验上证实了马约拉纳零能模的存在。在该团组之前，国际上也有其他团组称发现了马约拉纳零能模，但都受到不少专家质疑。而对于贾金锋团队的实验结果，来自麻省理工学院的该领域专家Patrick Lee和傅亮都认为，该实验是目前最令人信服的证据。
那么，贾金锋教授的团组此次发现与前人工作有哪些异同？该发现的确定性有多强？他们采用了什么方法？该发现有着怎样的意义？一路走来，他们曾遇到的最大挑战是什么？他们下一步的计划是什么？贾金锋教授将一一与大家分享。
布会现场合影，从左至右，分别是邢定钰院士、李绍春教授、孙昊桦、贾金锋教教授、张富春教授和刘灿华教授。
在正式进入赛先生与贾金锋教授的问答之前，还是让我们先来了解下背景知识。
我们生活的物理世界中有两大类基本粒子：费米子和玻色子。费米子包括所有夸克和轻子（如电子），以及任何由奇数个夸克和轻子所组成的复合粒子（如质子和中子）。原子是由质子和中子构成的原子核和外层电子所构成，由此可看出，费米子是我们物质世界的组成成分。在被誉为物质质量之源的希格斯玻色子被发现之前，玻色子被认为是物质间相互作用的传递者，如四大相互作用力的传递粒子，其中传递引力相互作用的引力子还未被发现。
粒子物理学中，将费米子定义为自旋为半整数奇数倍（1/2、3/2、5/2、……）的粒子；而玻色子指自旋为整数倍的粒子。费米子和玻色子之所以被物理学家保罗?狄拉克如此命名，是为了纪念名为费米和玻色这两位物理学家。
1927年，狄拉克提出方程描述了自旋为1/2的自由费米子，这类费米子也因此得名为狄拉克费米子。他预言了与粒子质量相同但电性相反的反粒子的存在，随后于1932年得到了卡尔?安德森在实验上的证实：安德森发现了电子的反粒子――正电子。目前，实验上已有了更多的反粒子例证，如中子和质子等粒子的反粒子的发现。
狄拉克费米子的反粒子不是自己。意大利物理学家埃托雷?马约拉纳思索，假如某费米子呈电中性，那么它的正粒子和反粒子就是它自己了。于是，1937年，他对狄拉克方程式进行了改写，得到马约拉纳方程式，描述的是自旋为1/2的中性粒子。这类反粒子是自己的粒子也因此被称为马约拉纳费米子。马约拉纳还指出，这种费米子可用来描述当时唯一知道的电中性物质粒子――中微子。
埃托雷?马约拉纳
目前，在基本粒子中，还没有已知的马约拉纳费米子，而中微子是否为马约拉纳费米子，也还不清楚。凝聚态物理给马约拉纳费米子的范围以及从理论落地实验带来了希望。
凝聚态物理，关注的是物质材料在基态情况下的性质。二次大战之后，物理学家开始采用量子场论的一些方法来解决凝聚体物质问题，其中较为有名的事例是准粒子这一概念的引入。准粒子，又称集体激发。在多体复杂系统中的扰动可以像波那样传播。而这些波在量子力学中又对应于粒子，这就是所谓的准粒子。
赛先生主编文小刚认为 ：“当超导材料有自旋轨道耦合时，根据BCS理论，其中的准粒子正好是自己的反粒子。BCS理论已被很多实验反复验证过。准粒子数目不守恒已成为凝聚态物理中的常识。准粒子数只有奇偶守恒，这正是马约拉纳费米子的特点。所以超导材料中的准粒子应该就是马约拉纳费米子，其早已被发现，验证了马约拉纳的预言。”（需要指出，这一观点有争议，很多人并不认同。）十几年前，凝聚态物理学家发现，马约拉纳费米子可被用于形成马约拉纳零能模，例如在某些超导体中，被量子磁涡旋束缚的零能量态，就是马约拉纳零能模。这个情况下， 马约拉纳零能模深刻地改变了涡旋的量子统计性质，它们作为一个共同体形成了一种有非阿贝尔统计的新型粒子，即非阿贝尔任意子。
艺术家想象中的马约拉纳零能模。图片版权：Alexey Drjahlov/CC-BY-SA
非阿贝尔任意子和熟知的玻色子、费米子完全不同。 它有一个非常令人惊奇的性质：它带有分数自由度――也就是说它内部状态的数目，甚至不是一个整数。像带马约拉纳零能模的量子磁涡漩，它的内部自由度只有半个量子比特。 两个带马约拉纳零能模的量子磁涡漩放在一起，才有两个内部状态，对应于一个量子比特。这种分数自由度以前从来还没有被发现过。目前有的仅仅是一些理论预言。1991年，Moore-Read和文小刚分别指一些量子霍尔态中的准粒子，就带有非阿贝尔统计和分数自由度。后来Read-Green、Kitaev和傅亮-Kane指出非阿贝尔任意子也可以被马约拉纳零能模来实现。从2008年起，傅亮-Kane第一个提出实验上可行的方案，即利用拓扑绝缘体和常规超导体的界面，构建出实现马约拉纳零能模所需要的一切条件。后续工作进一步拓展了可行的材料界面体系。由于非阿贝尔任意子其分数自由度的性质，一开始很多人认为这种怪物不可能存在。 所以这些理论预言的实验验证，将是非常重要的发现，比早前发现超导体中的马约拉纳费米准粒子，要重要的多。(需要指出的是，在凝聚态物理文献中，马约拉纳费米子和马约拉纳准粒子常常被用来指马约拉纳零能模。)
让马约拉纳零能模备受关注的另一个原因， 它很可能应用于量子计算机 。实现量子计算机的两个难点是保证其使用的量子比特足够稳定，不受局部环境所影响；另一个是保证在量子比特运算过程中出现的误差不大。这两个问题可以很好地被非阿贝尔任意子来解决，而超导体中的马约拉纳零能模恰好是最简单的非阿贝尔任意子，所以它自然就驱动着物理学家们的努力追寻。另外观察到马约拉纳零能模在实验上第一次直接验证了有自旋轨道耦合的超导体中的准粒子是马约拉纳费米子。
接下来，就让我们看看赛先生对贾金锋教授的 专访 。
赛先生： 2008年，Pennsylvania大学的物理学家Charles Kane和他的博士研究生傅亮在理论上提出，马约拉纳零能模能出现在拓扑绝缘体和超导体的交界面处。后续更多理论预言的出现显示，即使没有任何拓扑绝缘体，马约拉纳零能模也能出现。随后，国际上包括你的科研团组在内的多个团组正积极开展实验去寻找马约拉纳零能模，你能与大家分享下马约拉纳零能模吸引你的奇妙之处吗？为了发现它，实验上有哪些可以努力的方向呢？
贾金锋： 马约拉纳零能模是一种最简单的非阿贝尔任意子，它们遵循一种特殊的统计规律，可以用来实现拓扑量子计算。玻色统计和费米统计是粒子最重要的性质。发现玻色统计和费米统计之外的一种新的统计规律，不言而喻是非常重要的发现。
今后努力的方向很多。因为有非常多种的理论预言了很多种体系都可以产生马约拉纳零能模，所以确定一个体系是非常重要的。
赛先生： 你的团组最近在这个方向有什么新发现吗？
贾金锋： 最近，我们用自旋极化扫描隧道显微镜观察到了马约拉纳零能模的自旋相关的特性，并且与理论预言及计算非常一致。这样就确定性地证明了马约拉纳零能模的存在。
赛先生： 你的团组当初的研究动机，就是为了发现马约拉纳零能模吗？
贾金锋： 是的。2012年，我们成功地制备出了 拓扑绝缘体/超导体异质结 以后，我们就把目标定在了发现马约拉纳零能模上。
赛先生： 为了发现马约拉纳零能模，你的团组采用了怎样的实验设计？与傅亮-kane的理论设计有什么异同呢？
贾金锋： 我们采用了傅亮-kane的理论设计。他们的设计比较简单，就是在拓扑绝缘体上面放置超导体，这样通过超导近邻效应就可以把拓扑表面态变成超导，这就是一种拓扑超导。但我们的实验方案和他们的设计有一个重要的不同，我们把拓扑绝缘体放在了超导体的上面，而不是像他们设计的那样把超导体放在上面。这样不仅便于制备，也易于观察与研究。
赛先生： 回想该过程，最大的挑战是什么？
贾金锋： 最大的挑战是确定研究体系与方法。
赛先生： 你觉得马约拉纳零能模的发现意味着什么？你们下一步的目标是什么？
贾金锋： 马约拉纳零能模的发现，证实了马约拉纳费米子的存在，也证实了非阿贝尔统计存在的预言。这意味着非阿贝尔统计这一物理新方向的开始。
下一步要做的工作很多。首先，我们希望能在更多的体系上观察到马约拉纳零能模，并提高观察的温度（现在需要400毫开尔文）；其次，我们还希望能得到独立的马约拉纳零能模，没有其它低能模的干扰，这样将非常有利于零能模研究它们的性质。另外，将尝试对它们进行操控与编织，为拓扑量子计算的实现奠定基础。
赛先生： Kouwenhoven和Yazdani领导的两个团组以前都声称发现了马约拉纳零能模，但都受到很多专家质疑。你们的实验有什么优势？有多确定？
贾金锋： 他们用的是纳米线体系，这种体系需要加非常大的外加磁场，才能使系统变成拓扑超导，而且拓扑的体能隙非常小，需要非常精确的控制才能把费米能级调到能隙中，这样才能观察到马约拉纳零能模。这种体系容易受杂质影响，而且需要极低温（~10mk）。我们的体系简单，不存在杂质影响的问题，而且超导能隙和费米能级都看得非常清楚，还不需要很大的磁场。因为有超导能隙的保护，原则上可以在较高温度下（超导态存在）实现马约拉纳零能模。100%的确定！
赛先生： 中微子的发现与研究、宇宙微波背景辐射的发现等，都说明了理论和实验的密切合作能带来新发现。实验发现马约拉纳零能模，再一次说明了这点。您能分享下您对实验和理论之间关系的看法吗？在实验中，遇到问题有时再回到理论，会不会有新的灵感？
贾金锋： 理论的支持是非常重要的！
我们遇到的困难是在2013年，在拓扑超导上看到了一些与普通超导上不一样的行为，怎么用马约拉纳零能模来解释这个行为是当时遇到的最大困难。后来发现了一篇理论文章，利用里面计算的结果可以很好地解释我们的实验结果。包括最后的实验也是理论预言了有这种现象，我们只是在我们的系统里最先观察到了。
赛先生： 你团组的这一工作，可以说是团队合作的成果。你在指导团队成员分角度攻关时，让大家有力往一起使，最终能开花结果。能介绍下你领导团队的经验吗？比如，如何因材施教，如何调动积极性，如何推进项目前进等。
贾金锋： 这绝对是一个合作的成果，这一系列工作一共有10个合作单位，几十个个人。首先得了解每个人的长处，以及她/他能做的事情，然后才能把大家的力量聚在一起。
赛先生： 中国现在教育体系受考试影响很大，而实验室需要的是有动手能力的学生。你在这方面有什么评论？你自己是如何锻炼自己的实验能力的？你如何寻找、训练实验能力强的学生？一个学生如何能够加强自己的实验能力？
贾金锋： 我自己的动手能力是比较强的，这个不是在实验室培养的。我的学生动手能力差别也很大，但最重要的是努力。不努力再有能力也没用！
赛先生： 凝聚态物理最近有很多新进展，你能谈谈该领域在这几十年中的发展特点吗？未来势头怎么样？有人说，马约拉纳零能模的发现，其性质可用来编码量子级别数据，将会使得拓扑量子计算的实现变得可能。你觉得我们今天离拓扑量子计算的实现还有多远？
贾金锋： 凝聚态方面的进展其实非常好，中国在超导，包括铁基超导和界面高温超导方面都做出了国际领先的成果，在低维材料，特别是最近比较热的二维材料方面也是成绩斐然；在拓扑理论方面也有一大批国际领先的成果，等等。实在很多，我说的可能不全。
这一方面是国家持续支持的结果，另一方面和华人科学家在这个领域的整体优势和水平较高有关。这个领域的优秀年轻人也越来越多，一定会有更大的发展。
我不太熟悉拓扑量子计算，所以就不多评论了。我觉得，拓扑量子计算的实现还要看那个领域的投入。
赛先生： 在介绍完你们团组这一发现以及该领域的大致情况之后，相信不少青年学子跃跃欲试，要加入你们团队，能再简要介绍下你的实验团组，说说你最看重学生的什么能力吗？
贾金锋： 我的团队有4个年轻老师，大约20名研究生。我们有4套国际先进水平的仪器，还在购买另外2套。承担了国家很多项目，研究经费比较充足。
学生最重要的是喜欢物理，喜欢实验。然后就是刻苦、努力。聪明并不是最重要的。
麻省理工学院物理学家 傅亮 点评：
激动人心的发现开端
贾金峰教授所领导的隧穿扫描实验，为在超导和拓扑绝缘体界面上的马约拉纳零能模提供了可靠的证据。在固体材料中被预言出现的马约拉纳零能模带有非常不寻常的基本特性，有可能成为量子计算机的基础构件。除了实验上验证理论的预言，实验还第一次揭示了马约拉纳零能模所具有的特征自旋性质。另外，在很小磁场下观察到马约拉纳零能模，也说明超导拓扑绝缘体界面是这一现象的理想平台，可以用于做科学研究，甚至器件应用。这一发现，毫无疑问会激发在这一激动人心领域中更多的科学工作。
傅亮
延伸阅读
① 一场外尔费米子发现的国际竞赛
② 凝聚态物理学家：波的工程师，“宝石”的塑造者
③ 演生原理与物质世界的层次结构：一种新的自然观
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