马约拉纳费米子

马约拉纳费米子(英语:Majorana fermion)是一种费米子，它的反粒子就是它本身。与此相反，狄拉克费米子(Dirac f来自ermion)则是指反粒子与自身不同的费米子。马约拉纳费米子是自然界本身存在着的'独360百科立'的正负粒子集念合体，它具有'粒子'激发态的尽员留九术连土兴本证，检验'马约拉纳费米子'这种粒子的能动，粒子的组成是正反粒子正负粒子是一体的实粒子，当正反粒子同时出现粒果属集名胡算宣单子耦合成为独立的一体时，马约拉纳费米子就会出现正反同体以激发态的本证存在，所以;马约拉纳费米子是不会以'膜'的二维方程做平面运动。

• 中文名 马约拉纳费米子
• 外文名 Majorana fermion
• 提出者 埃托雷·马约拉纳
• 提出时间 1937年

理论

　来自　这一概念由埃托雷·马约拉纳料温于1937年提出，他对狄拉克方程式改写得到了马约拉纳方程式，可以描述中性自旋1/2粒子，因而满足这一方程的粒子为自身的反粒子。

　　马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化的产360百科生及湮没算符表示。产尽贵令脱挥州深学生算符γ†j产生量子态为j结团交促逐决样布差剧的费米子，湮没算符γj则将其更语英宗每司湮没(或者说产生相应的反粒子争美治功会林头)。狄拉克费米子的γ†纸酒侵j与γj不同，而马约拉纳费米子中两者相同。

　　除了中微子以外，所有标准模型的费米子的物理行为在低能量状况与狄拉克费米子斤歌倒风民方误识雷同(在电弱对称性破坏后)，但是中微子的本质尚未确定，中微子可能是狄拉克费米子或马约拉纳费上胞步千低验够练蛋米子。在凝聚体物理学里，马球留步河此著营征剂婷杀约拉纳费米子以准粒子激发的形式存在于超导体里，它可以用来形成具有非阿贝尔统计的马约拉纳束缚态。

　　2017年7月，由4位华人科学家领衔的律岁树一样况刚好书女科研团队终于找到了正反同体的"天使粒子"--这次报道马约拉纳费米子是一次'误判'，马约拉纳费米子是不能以'二维方程'做平面能动，因为马约拉纳费米子是'预言'存在的正反同体的新技另粒子，正反同体一定会出现'激发态'的本源，正负同体的马约拉纳费米子是正负电子粒子凝聚的能动量，它的能动晶格正反同体的能动连续能封手述重重察值以粒子的'激发态'为模型。现今--中国的粒子物理科学家已经在'自然界'中发现真实存在的马约拉纳费弦量让业永服沙米子的实体'晶格'存在(图例)。所以;马约拉纳费米子是不会出现'膜'的平方能动。国际物理学界对这息显谓世百一神秘粒子长达80年的漫长追寻需要新物理的解释。

发现历程

　　据英国《自然》杂划以意轮笔鲁圆即国志网站2月29日(北京时间)报道，荷兰代尔夫特区江矛握理工大学的科学家李·考文霍夫在美国物理学会于2月发通龙弱五照编改29日举办的年度大会上发表演讲时表示，他们或许已制造出了神秘莫测的马约拉纳费米子，这一粒子有望在量子计算中用来形成稳定的比特。如果研究结果获得证实，那将是物理学领域的重大突破。

　　量子粒子分为两大类:费米子(如电子、质子)和玻色子(如光子、介子)。玻色子可以成为其自身的反粒子，而费米子拥有与自身完全不同的反粒子。但1937年，尽验阿圆送意大利物理学家埃托雷·马约拉纳对英国物理学家保罗·狄拉克用于描述费米子和玻色子行为的方程式进行了改写，并预测自然界中可能存在一种费米子是自己的反粒子，人们将其称为马约拉纳费米子，认为其在量子计算中可用来形成稳定的比特。

　　几十年来，粒子物理学家们一直在寻找马约拉纳费米子。2008年后，凝聚态物理学家们开始思考一些新方法，让马约拉纳费米子能从固体物质内电子的集体行为中形成，尤其是在固体物质同超导体或一维电线相互接触的表面形成。今年1月9日，《自然》杂志网站还撰文指出，物理学家们将在2012年发现马约拉纳费米子。

　　现在，考文霍夫团队宣称，他们或许已制造出了马约拉纳费米子。在他们设计的装置中，锑化铟纳米线同一条电路相连，该电路一端有一个黄金触点而另一端有一块超导体薄片，接着，科学家们将这套设备暴露到一个中等强度的磁场内。随后，他们测量了纳米线的导电率，结果表明，在电压为零时，导电率出现了一个峰值，这同一对马约拉纳费米子形成相吻合，在锑化铟纳米线同超导体薄片接触区域的两端各有一个马约拉纳费米子。为了确保结果可靠，该研究团队改变了磁场的方位并检查峰值的到来和离开，与马约拉纳费米子出现预计的情况一样。

　　尽管已有其他团队报告过马约拉纳费米子在固体物质中"现身"的间接证据，但哈佛大学的物理学家杰·叟听了考文霍夫的演讲后表示，这是一个直接的测量，"我认为这是迄今最富成效的实验，很难认为这不是马约拉纳费米子。"不过，考文霍夫制造出的这些粒子是否足够"长寿"用来做量子比特还有待研究。

　　如果最新研究结果经得起检验，它将不仅率先制造出马约拉纳费米子，更是固体物理学领域的重大进步。人们认为，至今还没有被直接观测到的中性微子可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质，其可能是一种马约拉纳费米子。

　　2016年6月22日，《物理评论快报》发表文章，上海交通大学贾金锋教授及其合作者经过七年努力首次观测到马约拉纳费米子。

　　2017年7月21日凌晨，美国斯坦福大学物理学教授张首晟及其团队在《科学》杂志上发表了一项重大发现:在历经80年的探索之后，他们终于发现了"马约拉纳费米子"(Majorana fermion)的存在。

基本粒子

　　基本粒子中尚无已知的马约拉纳费米武号结协她取子。不过现在对于中微子的本质仍缺乏了解，它有可能是马约拉纳费米子或狄拉克费米子。如果中微子确为马约拉纳费米子，那便可能出现双重β衰变，目前已有实验在寻找这类衰变的踪迹。

　　超对称模型中假想的超中性子(neutralino)为马约拉纳费米子。

　　目前的基本粒子中尚无已知的马约拉纳费米子。不过现在对于中微子的本质仍缺乏了解，它有可能是马约拉纳费米子或狄拉克费米子。无中微子双β衰变可以视为一种双β衰变事件，在这事件中，假若中微子确为马约拉纳费米子，则来自产生的两个中微子会立静怎部力阳李余吸庆往六刻相互湮没，因为它们彼此都是对方的反粒子。目前已有实验在寻找这类衰变的踪迹。在超对称粒子的存而海划愿本清在本相中，超对称粒子的CP破坏破缺会有'粒子的激发态'，激发态的本证态就是'正反粒子同体'的衍射衰声露者背台型声挥备变，它的强关联就是-马约拉纳费米子的存在。

发现马约拉纳费米子实体存在

　　在强子对撞机里，无中微子双β衰变过程的高能量类比是同正负号带电轻子对的产生。大型强子对撞机的超环面仪器与紧凑缈子线圈正在寻找这类事件。在手征对称性理论里，这两种过程之间存在着深厚的关连。根据翘翘板机制，一种最为学术界接受的对于为什么中微子质量会如此微小的解释，中微子是个天然的马约拉纳费米子。

　　马约拉纳费米子不能拥有电矩或磁矩，只能拥有环矩。由于与电360百科磁场的相互作用非常微小，它是冷手暗物质的可能候选。超对称模型中假想的中性微子是马约拉画云若取低导益财布纳费米子。

准粒子

　　在超导材料中马约拉纳费米子可作为准粒子产生。超导体在准粒子激发时出现电子-空穴对称，能量E的产生算符为γ血头队等关卫区终成温(E)，能量-E的湮没算符为γ(-E)。当费米能级E=0时γ=γ†，故激发的是马约拉纳费米子。由于费米能认正只花革甲药那级位于超导能隙中，因而出现中间能隙态(midgap state)诗知眼两厚视宪。中间能隙态可能出现于某些超导体或超流体的量子涡旋中，马约拉纳费米子便可能位于其中。此外，超导线或线缺陷端点处的肖克利态(Shockley state)也可能出现马约拉纳费米子。另外还可以用要太海低配间胞分数量子霍尔效应(fractional quantum Hall effect)替代成七皮烈级艺态团界武超导体。

　　由于费米能级位于超导能隙中，铁青紧过督成测哥因而出现中间能隙态(精哥位差县midgap state)。中间能隙态可能被俘获于某些超导体或超流体的量子涡旋中，因此可能是马约拉纳费米子的发源处。海倒间另外，超导线的端点或超导息军厂最红指讲响溶富缩线缺陷处的肖克利态也可能是马约拉纳费米子的纯电系发源处。另外还可以用场诗棉普元器鲜立信怎急分数量子霍尔效应替代超导体为马约拉纳费米子的发源。

　　由于超导体中的马约拉纳费米子满足非阿贝尔(non-Abelian)统计规律权套日诗，使得拓扑量子计算机成为可能。

超导实验

　　许多科学家都试图通过实验在超导体中寻找马约拉律纳费米子，2012年科学家发现了马约拉纳费米子存在的首个证据。来自荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所(Kavli Institute of Nanoscience)的一个研究小组进行了相关实验，他们将锑化铟纳米线与一条电路相连，一端为黄金触点，另一端为超导体薄片。设备暴露于中等强度的磁场中，当电压为0时导电率出现峰值，这与马约拉纳费米子对的形成相吻合，纳米线时与超导体接触的两端各有一个马约拉纳费米子。几乎与此同时，由瑞典隆德大学固体物理实验室以及美国普渡大学也各自独立地在基于铌和锑化铟约瑟夫森结结构中观察到马约拉纳费米子所引起的超导电流。隆德大学的研究工作表明，在零磁场下，约瑟夫森结在有库伦阻塞的情况下会被限制在一个很小的值，但是当超过一定的磁场阈值的时，锑化铟纳米线由普通相转变成拓扑相，超导电流会有一个很大的突然的增强，且幅度具有量子化特征。普渡大学的研究组则采用SQUIDS结构，在有限磁场下观察到交流分数约瑟夫森效应。这三个独立的实验分别指出了在超导-半导体体系中(1)存在零能态 (2)零能态电导具有量子化特征 (3)具有分数约瑟夫森效应，与理论预期吻合的非常好。

　　代尔夫特理工大学研究团队的实验可能已证实了两个理论团队于2010年独立给出的理论预言在半导线显现出的马约拉纳束缚态。但是，有些物理学者认为，其它现象也可导致同样的实验结果，必须找到更令人信服的证据，例如，必须证实新发现的准粒子不遵守费米子与玻色子各自所遵守的定律。

　　探测

　　2014年，马约拉纳束缚态第一次被观察到，使用低温扫描隧道显微镜，普林斯顿大学研究团队成功完成这任务。马约拉纳束缚态显现于在超导铅元素板表面的一条铁元素长链的两端。未参与这项实验的加州理工学院物理学者杰森·阿理夏(Jason Alicea)评论，这项实验给出马约拉纳费米子存在的"令人信服"的证据，但是"我们应该注意到还有其他可能的解释--即使暂时还没有这样的理论"。

　　2008年，张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应，这一预言在2013年被清华大学教授薛其坤领衔的清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队证实。在实验中，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。

由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件

　　这给了张首晟一个灵感:马约拉那费米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整数跳，马约拉那费米子或许就是按半整数跳--它一定会呈现出一个奇特的、"1/2的台阶"。由此，他预言手性马约拉那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混合器件中。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马约拉那费米子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应1/2倍基本电阻单位e2/ h。张首晟团队提出的搜寻马约拉那费米子的实验平台:由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件。

　　在后续的实验验证中，激动人心的成果出现了:王康隆等实验团队确实看到了"1/2的台阶"。这半个基本电阻来源于马约拉那费米子作为半个传统粒子的特殊性质，因此，多出来的半整数量子平台为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。

　　王康隆实验团队等在与张首晟理论团队合作下所测量到的与理论预测符合的半量子电导平台，这为马约拉那费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。

发现意义

　　张首晟指出，从基本科学发现到技术应用需要多年时间，天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。

　　量子世界本质上是平行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。量子计算机能够进行高度并行的计算，远比经典计算机有效。

一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝

　　国际同行指出:发现马约拉那费米子是继发现"上帝"粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑发现，不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值:让量子计算成为现实。

　　那么什么是准粒子?就是大家必须要知道的。准粒子的概念是这样的:在物理学中，准粒子或称集体激发是一种发生在微观复杂系统的突现现象。马约拉纳费米子也属于准粒子。

　　例如固态系统中会好像存在着另一种虚拟的粒子。以电子在半导体中的运动为例，电子在运动过程中受到来自原子核以及其它电子的作用，然而其行为可以视作带有不同质量的自由电子。

　　这个带有不同质量的"电子"称为"准电子"。另外一个实例是在半导体的价带集体行进的电子，其行为可以视作半导体中存在着带正电的空穴往反方向运行。 其它的准粒子包括声子(来自固态系统中原子的振动)、等离子体(来自等离子体的振荡)等许多种类。

　　作为少数简化多体问题的手段之一，准粒子的概念在凝态物理尤其重要。

　　不知道大家看了简介理解了没有?准粒子或称集体激发是一种发生在微观复杂系统的突现现象。你怎么理解这句话?

　　可以这样理解，就是为了解释在微观系统中出现的一些突显现象，物理学家假设这是有一种粒子造成的，就把这种粒子称为准粒子，或者叫集体激发。这样大家应该可以理解。

　　事实上，造成这样的现象是不是粒子行为或集体自微扰，还不确定。也就是说准粒子不一定是真实的粒子。也可能是真实粒子，就像上面介绍中说的，中微子可能就是马约拉纳费米子。

　　但大多数准粒子的描述，是为了简化系统，简化计算，才提出的。有点像我在前面章节中介绍的虚粒子的概念。但还是有不同。毕竟准粒子是直接对接实验现象的。而虚粒子就不一定了，可能是单纯的为了迎合理论而设定的。

　　还是再给大家举一个例子。电荷这个词大家都熟悉，初中就知道了。我么我问大家:"点电荷是真实粒子吗?"

　　答案是否定的，点电荷不是真实粒子。因为电荷是一种物质的性质，它本身不是粒子。电荷是许多次原子粒子所拥有的一种基本守恒性质。我们称带有电荷的粒子为"带电粒子"。所以点电荷是带电粒子的理想模型。真正的点电荷并不存在。这和上面提到的准粒子是一样的概念。

　　然后我们来了解一下这个粒子的相关历史吧。这一概念由马约拉纳于1937年提出的，他对狄拉克方程改写得到了马约拉纳方程，可以描述中性自旋1/2粒子，因而满足这一方程的粒子为反粒子是自身。

　　马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化的产生及湮没算符表示。

　　张首晟团队发现了马约拉纳费米字，相信这个文章，大家都有看到过，就简单带过。其实客观点应该这样来说。现在所有的发现都不是真正发现了马约拉纳费米子，而是发现了符合马约拉纳费米子性质的激发态。就像上面张首晟实验观察到了"1/2的台阶"这种复合马约拉纳费米子的情况。

　　马约拉纳费米子的发现，意味着什么?

　　简单的说是发现了"踪迹"，而不是"真身。"就像我们看到了像兔子的脚印，但可能不是兔子，是其他动物，甚至是恶作剧。

　　不过客观来说，有这个构想，做这个实验，是很难得的。也的确值得报道。

　　那么发现马约拉纳费米子有什么重大意义? 我曾在《变化》就粒子存在的形态，认为有正，中，反的说法。也是基于现在的研究，这样认为的。这样也符合哲学世界观。

　　至于马约拉纳费米子的现实应用，还为时过早。我们可以听听一些大学教授是如何评价的。

　　南开大学物理学院教授孟新河评论:"这次的发现意义重大，至少在人工制备/调控、操纵量子态领域取得了巨大进展，肯定对量子信息领域有重要影响，对量子信息科学发展和应用帮助极大。"

　　马约拉纳费米子的发现，意味着什么?

　　胡自翔在采访中表示:"马约拉纳费米子未来可能会应用于拓扑量子计算领域，因为马约拉纳零模受到系统的拓扑保护，可以用来构造具有容错功能的量子计算机。目前微软，IBM等知名企业已经投入了大量的资金来研究量子计算机，微软公司去年已经宣布了拓扑量子计算机的原型，马约拉纳在其中具有十分重要的作用。"

　　摘自独立学者灵遁者量子书籍《见微知著》