[科普中國(guó)]-馬約拉納費(fèi)米子

馬約拉納費(fèi)米子（英語(yǔ)：Majorana fermion）是一種費(fèi)米子，它的反粒子就是它本身，1937年，埃托雷·馬約拉納發(fā)表論文假想這種粒子存在，因此而命名。與之相異，狄拉克費(fèi)米子，指的是反粒子與自身不同的費(fèi)米子。

簡(jiǎn)介馬約拉納費(fèi)米子（英語(yǔ)：Majorana fermion）是一種費(fèi)米子，它的反粒子就是它本身，1937年，埃托雷·馬約拉納發(fā)表論文假想這種粒子存在，因此而命名。與之相異，狄拉克費(fèi)米子，指的是反粒子與自身不同的費(fèi)米子。

除了中微子以外，所有標(biāo)準(zhǔn)模型的費(fèi)米子的物理行為在低能量狀況與狄拉克費(fèi)米子雷同（在電弱對(duì)稱性破壞后），但是中微子的本質(zhì)尚未確定，中微子可能是狄拉克費(fèi)米子或馬約拉納費(fèi)米子。在凝聚態(tài)物理學(xué)里，馬約拉納費(fèi)米子以準(zhǔn)粒子激發(fā)的形式存在于超導(dǎo)體里，它可以用來(lái)形成具有非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的馬約拉納束縛態(tài)。1

理論這一概念由馬約拉納于1937年提出，他對(duì)狄拉克方程改寫(xiě)得到了馬約拉納方程，可以描述中性自旋1/2粒子，因而滿足這一方程的粒子為自身的反粒子。

馬約拉納費(fèi)米子與狄拉克費(fèi)米子之間的區(qū)別可以用二次量子化的產(chǎn)生及湮沒(méi)算符表示。產(chǎn)生算符會(huì)產(chǎn)生量子態(tài)為的費(fèi)米子，湮沒(méi)算符則會(huì)將其湮沒(méi)（或者說(shuō)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的反粒子）。對(duì)于狄拉克費(fèi)米子，與不同，而對(duì)于馬約拉納費(fèi)米子，兩者相同。1

基本粒子目前的基本粒子中尚無(wú)已知的馬約拉納費(fèi)米子。不過(guò)現(xiàn)在對(duì)于中微子的本質(zhì)仍缺乏了解，它有可能是馬約拉納費(fèi)米子或狄拉克費(fèi)米子。無(wú)中微子雙β衰變可以視為一種雙β衰變事件，在這事件中，假若中微子確為馬約拉納費(fèi)米子，則產(chǎn)生的兩個(gè)中微子會(huì)立刻相互湮沒(méi)，因?yàn)樗鼈儽舜硕际菍?duì)方的反粒子。目前已有實(shí)驗(yàn)在尋找這類衰變的蹤跡。

在強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里，無(wú)中微子雙β衰變過(guò)程的高能量類比是同正負(fù)號(hào)帶電輕子對(duì)的產(chǎn)生。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的超環(huán)面儀器與緊湊μ子線圈正在尋找這類事件。在手征對(duì)稱性理論里，這兩種過(guò)程之間存在著深厚的關(guān)連。根據(jù)翹翹板機(jī)制，一種最為學(xué)術(shù)界接受的對(duì)于為什么中微子質(zhì)量會(huì)如此微小的解釋，中微子是個(gè)天然的馬約拉納費(fèi)米子。

馬約拉納費(fèi)米子不能擁有電矩或磁矩，只能擁有環(huán)矩。由于與電磁場(chǎng)的相互作用非常微小，它是冷暗物質(zhì)的可能候選。超對(duì)稱模型中假想的中性微子是馬約拉納費(fèi)米子。1

準(zhǔn)粒子在超導(dǎo)材料中馬約拉納費(fèi)米子可作為準(zhǔn)粒子產(chǎn)生。在超導(dǎo)體里準(zhǔn)粒子是自己的反粒子，因此使得這行為可以發(fā)生。超導(dǎo)體會(huì)規(guī)定電子-空穴對(duì)稱于準(zhǔn)粒子激發(fā)，將能量為E的產(chǎn)生算符與能量為-E的湮沒(méi)算符關(guān)聯(lián)在一起。當(dāng)能量（費(fèi)米能級(jí)）E為零時(shí)，γ=γ?，馬約拉納費(fèi)米子會(huì)束縛于某個(gè)缺陷，整個(gè)物體稱為“馬約拉納束縛態(tài)”或“馬約拉納零模”。這術(shù)語(yǔ)比較合適，因?yàn)檫@些物體不再遵守費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，而是非阿貝爾統(tǒng)計(jì)（non-Abelian statistics）的任意子，變換次序會(huì)改變系統(tǒng)的狀態(tài)。馬約拉納束縛態(tài)所遵守的非阿貝爾統(tǒng)計(jì)使得它們有可能被應(yīng)用于拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。

由于費(fèi)米能級(jí)位于超導(dǎo)能隙中，因而出現(xiàn)中間能隙態(tài)（midgap state）。中間能隙態(tài)可能被俘獲于某些超導(dǎo)體或超流體的量子渦旋中，因此可能是馬約拉納費(fèi)米子的發(fā)源處。另外，超導(dǎo)線的端點(diǎn)或超導(dǎo)線缺陷處的肖克利態(tài)也可能是馬約拉納費(fèi)米子的純電系發(fā)源處。另外還可以用分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)替代超導(dǎo)體為馬約拉納費(fèi)米子的發(fā)源。

2008年，傅亮與查爾斯·凱恩（Charles Kane）給出突破發(fā)展，他們預(yù)言馬約拉納束縛態(tài)會(huì)出現(xiàn)于拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)體的界面。隨后，其他物理學(xué)者發(fā)表了很多類似論文。1

超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)自傅亮等的論文發(fā)表后，許多科學(xué)家都試圖做實(shí)驗(yàn)在超導(dǎo)體中尋找馬約拉納費(fèi)米子。2012年物理學(xué)者發(fā)現(xiàn)了馬約拉納準(zhǔn)粒子可能存在的首個(gè)證據(jù)。來(lái)自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)科維理納米科學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，他們將銻化銦納米線與一條電路相連，一邊為正常的金電極接觸區(qū)域，另一邊為超導(dǎo)體薄片接觸區(qū)域。設(shè)備暴露于中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)中，當(dāng)施加在兩個(gè)電極間的電壓為0時(shí)導(dǎo)電率出現(xiàn)峰值，這與一對(duì)馬約拉納束縛態(tài)的形成相吻合，納米線與超導(dǎo)體薄片接觸區(qū)域的兩端各有一個(gè)馬約拉納費(fèi)米子。幾乎與此同時(shí)，由瑞典隆德大學(xué)以及美國(guó)普渡大學(xué)也各自獨(dú)立地在基于鈮和銻化銦約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)中分別觀察到馬約拉納費(fèi)米子所引起的零偏壓電導(dǎo)峰及交流分?jǐn)?shù)約瑟夫森效應(yīng)。隨后，更多實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)零偏壓電導(dǎo)峰現(xiàn)象，如以色列威爾茲曼研究所在砷化銦、丹麥玻爾研究所在更為純凈的外延砷化銦-鋁系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)了這種零能態(tài)。

更多證據(jù)也在基于隧道掃描探針系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)。2014年，普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用低溫掃描隧道顯微鏡發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)鉛元素板表面的一條鐵元素長(zhǎng)鏈的兩端會(huì)出現(xiàn)零能電導(dǎo)峰。未參與這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的加州理工學(xué)院物理學(xué)者杰森·阿理夏（Jason Alicea）評(píng)論，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)給出馬約拉納費(fèi)米子存在的“令人信服”的證據(jù)，但是“我們應(yīng)該注意到還有其他可能的解釋——即使暫時(shí)還沒(méi)有這樣的理論”。

中國(guó)科學(xué)家在該領(lǐng)域也做出了杰出貢獻(xiàn)。2016年初，上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里成功地在超導(dǎo)拓?fù)浔∧は到y(tǒng)中探測(cè)到了具有零能的漩渦態(tài)，并證明這種零能態(tài)具有安德烈夫反射自旋選擇性，這為馬約拉納零能態(tài)提供了另外一種判據(jù)，使實(shí)驗(yàn)事實(shí)更加可靠。

2017年，斯坦福大學(xué)張首晟團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)洛杉磯分校的王康隆團(tuán)隊(duì)、加州大學(xué)歐文分校的夏晶團(tuán)體合作，在超導(dǎo)-量子反常霍爾平臺(tái)中發(fā)現(xiàn)了具有半個(gè)量子電導(dǎo)的邊緣電流，與理論預(yù)言的手性馬約拉納粒子十分吻合。這是在霍爾效應(yīng)平臺(tái)系統(tǒng)中第一個(gè)具有確鑿證據(jù)的馬約拉納測(cè)量結(jié)果。

這些基于超導(dǎo)體平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)可能證實(shí)了理論的馬約拉納零能束縛態(tài)。但是，具備零能態(tài)只是馬約拉納準(zhǔn)粒子眾多性質(zhì)中的一個(gè)，其它很多現(xiàn)象也可導(dǎo)致零能態(tài)。雖然零能態(tài)以及半個(gè)量子電導(dǎo)的越來(lái)越精確的測(cè)量可以排除大部分干擾因素，但是馬約拉納準(zhǔn)粒子的證實(shí)必須找到更令人信服的證據(jù)，例如，非阿貝爾統(tǒng)計(jì)特性以及拓?fù)浔Ｗo(hù)等。2

參見(jiàn)馬約拉納方程

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)