1928年，物理学家保罗·迪拉克（Paul Dirac）做出了一个惊人的预测：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭，同时释放出一股能量。果然，几年后，第一个反物质——电子的反粒子被发现，反物质迅速成为流行文化的一部分。

　　但在1937年，另一位物理学家埃托里·马约拉纳（Ettore Majorana）指出了一个反转：他预测，在一类被称为“费米子”的粒子（包括了质子、中子、电子、中微子和夸克）中，应该有一些粒子，自己就是自己的反粒子。

　　埃托里·马约拉纳。图片来源：www-centre-saclay.cea.fr

　　现在，研究者宣称，他们已经发现了这些所谓“马约拉纳费米子”存在的第一个坚实证据。它是在加州大学与斯坦福大学合作的一系列特殊材料实验中被发现的。这个实验团队由加州大学欧文分校的夏晶教授和洛杉矶分校的王康隆教授领导，而他们的实验计划则是由斯坦福大学的物理学家张首晟和他的同事提出。他们的论文结果刊登在7月21日的《科学》上。

　　文章部分作者：左起为何庆林，寇煦丰，张首晟和王康隆。

　　“我们的团队准确地预测了马约拉纳费米子的出现地点，还有什么样的实验信号是它存在的铁证。”理论物理学家，同时也是该论文的作者之一的张首晟说，“这个发现令基础物理学最热门的探索之一终于告一段落，而我们为了找到它已经努力了八十年。”

　　尽管马约拉纳费米子的发现看起来应该是理论意义多于实践意义的，但张首晟说，它可能对构建稳定的量子计算机有所帮助，当然，这是非常遥远的以后的事了。

　　研究团队观察到的这一种特定的马约拉纳费米子被称为“手性”费米子，因为它会沿着某一维路径移动并且方向固定。研究人员表示，开奖，尽管设计、建造和运行能够产生它的实验都非常艰难难，但实验产生的信号却是清晰无误的。

　　“这个研究是多年来寻找手性马约拉纳费米子的最高峰，这将是该领域的一个里程碑”，斯坦福SLAC国家加速器实验室下属物质能源研究所（SIMES）的主任汤姆·德沃罗（Tom Devereaux）说。张首晟是任职于此的一位首席研究员。

　　“这确实是十分干净利落地观察到了新的东西”，麻省理工学院的理论物理学家和诺奖得主弗朗克·韦尔切克说，他没有参与这项研究。“这本质上并不令人惊讶，毕竟物理学家很长一段时间都认为马约拉纳费米子能从这样的材料里诞生。但是他们把好几种元素以从未有过的方式结合起来，利用工程手段让这种新的量子粒子能以干净而稳定的方式被观测到，这是一个真正的里程碑。”

　　寻找“准粒子”

　　马约拉纳的预言只针对不带电荷的费米子，比如中子和中微子。科学家们已经找到了中子的反粒子；至于中微子，有很好的理由认为它的反粒子可能就是它本身。目前有四个实验正试图验证这一论断——比如新墨西哥州的浓缩氙观测站（Enriched Xenon Observatory）的最新升级版EXO-200。不过这些实验难度太大，可能在未来十年内都难以得到结论。

　　大约十年前，科学家们意识到马约拉纳费米子还可能在材料物理的实验中制造出来。于是，一场找到这种粒子的“竞赛”在学界拉开了帷幕。

　　他们寻找的，其实是“准粒子”。所谓准粒子是复杂系统的一种物理现象，它虽然不是“真”的粒子，但是其行为就像是一个粒子。在超导材料中，许多电子的集合行为，就能产生出准粒子；这种过程和真空中能量与“虚粒子”相互转变过程类似，都遵循爱因斯坦著名的E=mc2质能方程。尽管准粒子和自然界中存在的粒子有所不同，但它们也被视为是马约拉纳费米子。

　　过去的五年中，科学家们用这一手段取得了一定成果。曾有研究者表示，在研究超导纳米线材的试验中观测到了很可能是马约拉纳费米子的痕迹。

　　但在之前的实验中，这些准粒子都是被“束缚”的——它们被困在特定的位置，而不会在时空中传播；而且人们也很难确认这些痕迹是不是也有其他效应的作用。

　　“还在冒烟的枪”

　　在加州大学洛杉矶分校和欧文分校的最新实验中，研究团队将两种量子材料——一种超导体和一种磁拓扑绝缘体——的薄膜堆叠在一起，让电流从中通过，整个仪器放在低温真空室里。