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争议 | “天使粒子”究竟在哪里?

两年多前,王康隆、张首晟等多位华人科学家共同完成的一项工作首次报道,发现了手性马约拉纳费米子,张首晟称其为“天使粒子”,引起了学界和社会的广泛关注。然而,最近宾夕法尼亚州立大学常翠祖等科学家发表在《科学》杂志上的文章,显示在相似实验平台中观测到的结果并不相同,他们只观测到了一种类似“短路”的现象。
 
这是为什么?到底发生了什么呢?“天使粒子“就此消失了吗?两篇论文的不同结果引发了科学家们的激烈讨论。
 
采访 | 邸利会 陈晓雪
撰文 | 陈晓雪
责编 | 李晓明
 
2017年夏,美国加州大学洛杉矶分校王康隆课题组和斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成的一项工作受到广泛关注[1]。
 
具体来说,他们首次在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体结合的异质结构中发现了一维手性马约拉纳费米子(chiral Majorana fermion )。
 
马约拉纳费米子是意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年预言的一种基本粒子,它的反粒子是其本身。科学家试图找寻马约拉纳费米子的踪迹,却一直未果。至今,从实验上找到基本的马约拉纳费米子是最重要的基础科学问题之一。
 
手性马约拉纳费米子体系可能导致遵循非阿贝尔统计的拓扑元激发,有不受环境干扰的特点,可用来存储量子信息,在拓扑量子计算上很有前景。在凝聚态物理领域,寻找手性马约拉纳费米子也是非常重要的问题。
 
2010年,理论物理学家、斯坦福大学教授张首晟的团队提出,手性马约拉纳费米子存在于由量子反常霍尔绝缘体薄膜和常规超导体薄膜组成的混合器件中。2015年,张首晟的团队提出了寻找手性马约拉纳费米子的一个办法。 “随着外磁场的变化,量子反常霍尔绝缘体的电导显示出1和0的量子化平台,以基本常数e2/h为单位,这在以前实验中已经观察到。与传统超导体的近邻效应产生手性马约拉纳费米子,其导致额外的电导平台,为1/2e2/h。由于马约拉纳费米子没有反粒子,在某种意义上说它是常规粒子的一半,因此,额外的半整数量子化平台提供手性马约拉纳费米子存在的明确证据。” [2]
 
在2017年7月《科学》杂志发表的论文中,王康隆、何庆林等研究人员报告了磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体混合的结构中施加强度很低的磁场之后,形成了量子反常霍尔效应态与超导态共存的状态,此时在磁场交替反转的位置可以观测到手性拓扑超导序对应的半整数量子化电导(half-integer quantized conductance plateaus)。根据相关理论预测,半整数量子化电导是一维手性马约拉纳费米子的鲜明特征。也就是说,他们可能找到了一维手性马约拉纳费米子。
 
这一消息的公布,立刻引发轰动。而马约拉纳费米子因其反粒子是其本身,又被作者之一的张首晟称为 “天使粒子”,这个名字也随着媒体的报道被更多人熟知。
 
不过,2020年1月2日《科学》杂志发表的实验结果却显示,量子反常霍尔和超导体的混合器件中的半整数量子化电导并不是手性马约拉纳费米子诱发的,而是因为短路机制 [3]。
 
在这篇论文中,宾夕法尼亚州立大学常翠祖、陈鸿渭(Moses H. W. Chan)和Nitin Samarth 以及德国维尔兹堡大学 Laurens W. Molenkamp 课题组建立了量子反常霍尔绝缘体系,并使得量子反常霍尔绝缘体与超导体之间保持良好接触,随后对跨越超导体两端的电导进行测量。他们发现,半整数量子化电导几乎普遍存在,甚至不依赖于超导态的出现,但2017年论文中展示的整数量子化电导却没有被观察到。
 
据“知社学术圈”报道,常翠祖团队测试了三十多个样品均表现出了同样的结果。对这一现象背后的物理进行了深入的探讨之后,研究者认为:由于量子反常霍尔绝缘体紧密接触的超导体将两侧的量子反常绝缘体进行了简单电学连接,导致了出现电路“短路”,因此观测到的两端电导为半整数量子化平台 [4]。
 
研究者还发现两端的电导平台的数值依赖于量子反常霍尔绝缘体上面超导体条带的数目,这一实验观测进一步验证了所观测到的半整数量子平台是由于“短路”所致,而非由于“天使粒子”所致。
 
该论文报告的量子反常霍尔绝缘体样本厚度从200微米到毫米级不等。“我们的论文只是阐述了在毫米级大小的样品中不能通过斯坦福大学的张首晟老师预言的电输运方法来探测手性马约拉纳费米子,该论文并没有否定在量子反常霍尔绝缘体-超导体异质结中可能存在手性马约拉纳费米子。我对在微米级甚至更小的样品或其它结构(如干涉仪)中观测到手性马拉约纳费米子依旧持乐观态度。” 该论文的通讯作者之一、宾夕法尼亚州立大学助理教授常翠祖在邮件中告诉《知识分子》。
 
这些观测结果在学术界引发争论(见下文)。2017年论文的两位作者加州大学洛杉矶分校教授王康隆和北京大学物理学院助理教授何庆林也对2020年的论文做了回应,详见《知识分子》今天第二条文章
 
李牮,西湖大学理学院特聘研究员,主要研究凝聚态物理学中拓扑非平庸系统的电子性质
 
最新的这篇 Science 论文以详细严谨的方式回应了2017年(宣称发现马约拉纳手征模)的论文。首先,本文的作者做了仔细的测量确保实验中超导体与量子反常霍尔样品具有良好的接触——这是通过超导近邻效应诱导出拓扑超导态和马约拉纳手征模的前提条件,但也为后面作者对测量到的半整数量子化电导提出不同于2017年原文中的解释提供了支持。接着,本文作者在多个器件中进行了与2017年原文报道中类似的测量以期进行比较。在本文报道的测量中,半整数量子化电导几乎普遍存在,甚至不依赖于超导态的出现,但是在2017年原文中展示的整数量子化电导却没有被观察到。而2017年原文的结论若要令人信服,正是需要两种量子化电导在同一器件中(随外磁场变化先后)出现,否则单一的半整数量子化电导可以有明显不依赖于马约拉纳手征模存在性的平庸解释(超导体仅仅发挥良好金属的短路作用)。这种平庸解释,也正是本文通过多种实验证据得到的结论。
 
张富春,中国科学院大学卡弗里理论科学研究所所长
 
有些媒体描述这个结果用的中文用词 “负面结果” 不妥。负面结果一般是指否定某理论预言,与原义 “Absence of evidence” 并不一样。Chang et al (指常翠祖等)Science 文章说明的是此特定材料/器件难以实现 chiral Majorana fermion(一维手性马约拉纳费米子)。此方向的研究仍然将十分重要、有趣、具挑战性。
 
戴希,香港科技大学物理学系讲座教授、凝聚态物理学家
 
我不认为看不到某种有趣现象就是 “负面”,看到就是 “正面”。诚实,符合科学规范,可重复才是真正的正面结果。
 
参考文献
 
1. He, Qing Lin, Lei Pan, Alexander L. Stern, Edward C. Burks, Xiaoyu Che, Gen Yin, Jing Wang et al. "Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure." Science 357, no. 6348 (2017): 294-299.
 
2. 张首晟、王康隆争议“天使粒子”研究|文小刚、戴希评论. 知识分子. 2017年8月7日
 
3. Kayyalha, Morteza, Di Xiao, Ruixi Zhang, Jaeho Shin, Jue Jiang et al. "Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices." Science 367, no.6473(2020): 64-67
 
4. Science首次发表负面结果论文:消失的“天使粒子”. 知社学术圈. 2020年1月3日
 
 
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