历史性突破：华人科学家宣布找到“天使粒子”

7月21日， Science上发表了一项重大成果：科学家宣布在凝聚态体系中发现了手性Majorana费米子的存在。这一发现，验证了由意大利理论物理学家Ettore Majorana在80年前提出的预测——存在一类其反粒子为其自身的费米子。这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

该科研团队由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组、斯坦福大学张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等组成。张首晟教授将这一新发现称为“天使粒子”，因为对于基础物理界来说，这或将开启一个新的时代。

80年漫长的寻觅

1928年，英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）从理念上预言了正电子的存在。1932年，美国物理学家安德森在研究宇宙射线时，无意间发现了正电子。从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。

但是，在1937年，也就是距今整整80年前，意大利理论物理学家Ettore Majorana做出一个大胆的理论预测：存在一类粒子，其反粒子为其自身。这个粒子被后来的物理学界称为Majorana费米子，并和希格斯波色子、引力子、磁单极子等一起构成物理学界苦心寻觅的神秘粒子。

意大利理论物理学家 Ettore Majorana

从那开始，寻找这一神奇粒子也就成了物理学领域中研究工作的崇高目标。

粒子物理和凝聚态物理是物理学的两大分支。此前粒子物理学家曾认为中微子可能是Majorana费米子，而且这一猜测有可能被“无中微子双beta衰变”实验所验证。但目前国际上多个开展“无中微子双beta衰变”实验的研究组都尚未发现这一衰变现象，中微子是否Majorana费米子的问题尚悬而未决。

而在张首晟教授研究的凝聚态物理中，Majorana费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。2010年到2015年之间，张首晟与其团队连续发表三篇论文，精准预言了在哪里能够找到Majorana费米子，继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。

建立在量子反常霍尔效应基础上的成果

张首晟的团队预言手性Majorana费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的异质结构中。

张首晟团队搜寻手性Majorana费米子的实验平台

在以往的量子反常霍尔效应实验中，随着调节外磁场，反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台，对应着1，0，-1倍基本电阻单位e2/h。也就是说，量子世界里的电阻是量子化的，它只能整数倍地跳台阶。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时，临近效应使之能够实现手性Majorana 费米子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应½倍基本电阻单位e2/h。

在后续的实验验证中，激动人心的成果出现了：王康隆等实验团队看到了“1/2的台阶”。这半个基本电阻在某种意义上可以视为半个传统粒子，因此，多出来的半整数量子平台为手性Majorana费米子的存在提供了有力的印证。