该装置可帮助物理学家发现最清晰的马约拉纳费米子信号。中间灰色金属线是纳米线，绿色区域是一条超导铝带。来源：张浩/QuTech量子计算实验室

在最新的同类型实验中，研究人员已经得到了最令人信服的证据，证明在一种特殊的超导体中潜伏着不同寻常的粒子。这一结果证实了近十年前在联合量子研究所(JQI)和马里兰大学(UMD)首次提出的理论预测，该结果将在4月5日出版的《自然》杂志上发表。

被称为马约拉纳费米子的stowaways不同于普通物质，如电子或夸克—构成元素周期表的元素。与这些不能被分解为更基本个体的粒子不同，马约拉纳费米子是由许多原子和电子组合而成，并且只有在特殊条件下才会出现。它们被赋予了独特的特性，可以使其成为量子计算机的一种中枢。当然，研究人员多年来也一直试图追踪到它们的踪迹。

最新实验结果对搜寻马约拉纳费米子的研究者来说，是最具吸引力的。这证实了许多理论预测，并为未来更精细的实验奠定了基础。在这项新工作中，研究人员测量了通过连接到超导铝带的超薄半导体的电流。该方法可将整个组合转化为特殊类型的超导体。

这类实验将纳米线暴露在强磁体下。在低温条件下，这将为电子在导线中提供一种额外的方式来组织自身排列方式。由于这个附加的排列方式，导线预计会驱动一个马约拉纳费米子，同时实验人员可通过仔细测量导线的电反应活动来验证它的存在。

这项新实验由荷兰代尔夫特技术大学QuTech量子计算实验室的研究人员和微软研究院进行，其样品由加利福尼亚大学、圣巴巴拉和荷兰埃因霍温科技大学制备。实验人员将他们的结果与JQI研究员Sankar Das Sarma和JQI研究生刘春晓的理论计算结果进行了比较。

      代尔夫特的同组人员在2012年看到了马约拉纳费米子的线索，但测得的电反应并没有理论预测的那么大。现在已经观察到了全部效应，甚至当实验者摇动磁场或改变电场强度时，它仍然稳定存在。如刘春晓经过缜密分析所得到的理论模拟预测那样，这种稳定性提供了甚至更强的证据：实验已经捕获了马约拉纳费米子。

该论文的合著者，同时也是UMD凝聚态理论中心主任Das Sarma说：“我们已从2010年的理论方法中走出了一条很长的路，即如何在半导体-超导体混合系统中创建马约拉纳费米子。 但在我们寻找这些奇怪粒子宣告取得全面胜利之前，仍然还有一段路要走。”

研究人员对组装纳米线的方式进行多年改进后，半导体线与铝带之间的接触更为纯净。与此同时，理论研究者已深入了解了马约拉纳费米子可能的实验特征-这是由Das Sarma和UMD的几个合作者一同开创的。

理论与实验相一致

在细量子线中寻找马约拉纳费米子的研究始于2001年，由时任微软研究院的物理学家阿列克谢•基特耶夫(Alexei Kitaev)推动。现在在帕萨迪纳加州理工学院的Kitaev想象出一种相对简单但不现实的系统。该系统理论上可存储一个马约拉纳费米子。但这种假想的导线需要一种特定的超导性，而这种超导性并不能从自然界中得到。另外一些人很快就开始通过混合和匹配可用的材料，来寻找仿制Kitaev装置的方法。

其中一个挑战是如何获得超导体，它们通常会以偶数个电子(2、4、6等)进行正常运转，同时也允许奇数个电子，但这种情况通常不稳定，需要额外的能量来维持。这个奇数是必须的，因为马约拉纳费米子是不加修饰的“异类”：它们只出现在奇数个电子的配价行为中。

2010年，在Kitaev的原始论文《Das Sarma》、JQI的Jay Deep Sau和JQI博士后研究人员Roman Lutchyn以及又一组人员研究接近十年后，他们发现了一种可用来创造出这些特殊超微半导体的方法，并从那时起就开始了实验研究。他们建议将某种半导体与普通的超导体结合起来，并通过整体来测量电流。他们预测：这两种材料的结合再加上强大的磁场，将会揭秘马约拉纳费米子的排列情况，并会产生Kitaev所假想的特殊材料。

他们还预测，马约拉纳费米子可以在这种纳米线中电流流过时被发现。如果你把一个普通的半导体连接到一个金属线和一块电池，电子通常有机会从导线上跳到半导体上，并且有可能被拒绝—细节取决于电子和材料的构成。但是如果你使用Kitaev所说的纳米线，事情会完全不同。电子总是被完美地反射回导线，但它不再是电子了。它变成了科学家所说的一个洞——基本上是金属中缺失了一个电子的一个点——它带着一个正电荷回到相反的方向。

物理学要求在界面上的电流是守恒的，这意味着两个电子必须在超导体中结束以平衡另一方向上的正电荷。奇怪的是这一过程，物理学家称之为完美的Andreev反射，即使金属中的电子没有向边界推进也会发生——也就是说它们没有连接到各种各样的电池。这与马约拉纳费米子是它自身反粒子有关，也就是说，在纳米线中制造一对马约拉纳费米子是不需要花费任何能量的。马约拉纳费米子的排列方式给了这两个电子一些附加的回旋空间，使它们能够以量子化的方式穿过纳米线——也就是说，一次恰好是两个。

刘春晓说，“马约拉纳费米子的存在产生了这种量子化微分电导。”他进行了数值模拟，以预测在UMD Deepthought2超级计算机集群上的实验结果。“同时，这样的量子化甚至应对参数的微小变化都具有可靠性，就像真正的实验所表明的那样。”

  科学家们将这种实验称为“隧穿光谱法”，因为电子通过纳米线将量子线带到另一边。这一直是最近致力于捕捉马约拉纳费米子的焦点，但也有其他的测试可以更直接地揭示这些粒子的奇异特性—这些测试将完全证实马约拉纳费米子是真实存在的。

Das Sarma说：“这个实验是我们在寻找这些奇异的、难以捉摸的马约拉纳费米子的过程中所迈出的一大步，显示出过去5年在材料改进方面所取得的巨大进步。我确信这些奇怪的粒子存在于这些纳米线中，但只有建立基础物理的非局部测量才能得到令人信服的证据。”