中国物理学家们近日观察到了马约拉纳零能模——一个状态数都不是整数的怪兽，小编就给对物理感兴趣的学物理竞赛的同学们介绍一下相关的背景知识。
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。
“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。
扫一扫关注公众号，看更多物理竞赛干货
复制 wulijingsai 微信公众号搜索关注
