1月3日，一篇以美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)物理系助理教授常翠祖為通訊作者的論文在線發(fā)表在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《》上。 研究小組未能在30多個(gè)樣本中找到“天使粒子”存在的證據(jù)。 相反，之前的所謂“證據(jù)”或許可以用更平庸的“短路”機(jī)制來(lái)解釋。
常翠祖，山東濰坊人，2007年畢業(yè)于山東大學(xué)光學(xué)工程系，后進(jìn)入清華大學(xué)師從薛其坤，2013年獲得博士學(xué)位。全球首次發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)失蹤物理學(xué)家，并第一個(gè)通過(guò)短信告知導(dǎo)師。 隨后，常翠祖在麻省理工學(xué)院作為博士后重復(fù)了這項(xiàng)工作。
正負(fù)粒子
早在2017年7月，同樣是在《》雜志上發(fā)表了一篇題為“量子反?；魻柦^緣體-超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的手性馬約拉納費(fèi)米子模式”的論文，引起了轟動(dòng)。 作者為何慶林、寇旭峰、張首晟、王康龍。
這項(xiàng)工作涉及一種被預(yù)測(cè)的神秘粒子，稱(chēng)為馬約拉納費(fèi)米子。 物理學(xué)領(lǐng)域有兩種基本粒子：費(fèi)米子和玻色子。 費(fèi)米子包括電子、夸克和其他構(gòu)成物質(zhì)的常見(jiàn)粒子。
1928 年，物理學(xué)家保羅·狄拉克 (Paul Dirac) 預(yù)測(cè)，宇宙中的每個(gè)基本粒子都有一個(gè)相應(yīng)的反粒子——帶相反電荷的“雙胞胎”。 當(dāng)粒子和反粒子相遇時(shí)，它們會(huì)湮滅，釋放出一股能量。
1937年，意大利天才物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納提出了另一種預(yù)測(cè)：應(yīng)該存在一些費(fèi)米子，它們本身就是反粒子，可以用波動(dòng)方程來(lái)描述。 馬約拉納在預(yù)言結(jié)束后悄然消失，給預(yù)言增添了神秘的色彩。
意大利天才物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納
80年后，同樣被稱(chēng)為天才的張首晟，受到丹·布朗的小說(shuō)和電影《天使與魔鬼》的啟發(fā)，給馬約拉納費(fèi)米子起了個(gè)“天使粒子”的綽號(hào)。 “這部作品描述了正負(fù)粒子湮滅爆炸的場(chǎng)景。過(guò)去，我們認(rèn)為每個(gè)粒子都必須有它的反粒子，就像每個(gè)天使都必須有它的魔鬼一樣。但今天，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)沒(méi)有反粒子的粒子，一個(gè)只有天使而沒(méi)有魔鬼的完美世界的粒子?！?span style="display:none">DyA物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
電導(dǎo)“半步”
何慶林、寇旭峰、張首晟、王康龍等人找到的決定性實(shí)驗(yàn)證據(jù)是“半步”，即半整數(shù)電導(dǎo)機(jī)制。
張首晟在2008年從理論上預(yù)言了量子反?；魻栃?yīng)，并于2013年得到了他的朋友、清華大學(xué)教授薛其坤團(tuán)隊(duì)的證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)中，隨著外部磁場(chǎng)的調(diào)整，反常量子霍爾效應(yīng)效應(yīng)膜呈現(xiàn)出一個(gè)量子平臺(tái)，對(duì)應(yīng)于基本電阻單位e2/h的1、0和-1倍。 也就是說(shuō)，它只能以整數(shù)倍的方式“跳步”。
普通粒子只能跳躍整步，所以同體的馬約拉納費(fèi)米子在某種意義上被認(rèn)為是“半粒子”，它能跳躍半個(gè)整數(shù)嗎？ 1993年，麻省理工學(xué)院教授文曉剛預(yù)測(cè)，一些二維拓?fù)鋺B(tài)的邊界上會(huì)出現(xiàn)手性馬約拉納費(fèi)米子模。
王康龍團(tuán)隊(duì)使用的器件結(jié)構(gòu)
當(dāng)加州大學(xué)洛杉磯分校王康龍團(tuán)隊(duì)將普通超導(dǎo)體放置在反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時(shí)，他們確實(shí)看到了“半步”，對(duì)應(yīng)于基本電阻單位e2/h的1/2倍。
結(jié)果引發(fā)三重爭(zhēng)議
經(jīng)過(guò)媒體廣泛報(bào)道后，“天使粒子”的結(jié)果陷入了長(zhǎng)期的爭(zhēng)議。
第一個(gè)爭(zhēng)議：真正的粒子被發(fā)現(xiàn)了嗎？
事實(shí)上，馬約拉納費(fèi)米子一直有一個(gè)“最佳嫌疑人”，那就是中微子。 然而證明這一點(diǎn)需要進(jìn)行無(wú)中微子β雙衰變實(shí)驗(yàn)，而人類(lèi)目前還沒(méi)有能力達(dá)到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)精度。 因此，一些科學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)物理。
凝聚態(tài)物理研究由大量粒子組成的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，單個(gè)粒子一般無(wú)法直接觀察到。 然而，固體材料（如金屬、非金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等）內(nèi)部的自由電子在磁場(chǎng)、壓力、溫度等一定的外部條件下會(huì)產(chǎn)生特定的集體活動(dòng)趨勢(shì)，就好像它們是一個(gè)虛粒子一樣。
這些“準(zhǔn)粒子”在合適的環(huán)境條件下會(huì)表現(xiàn)出與真實(shí)粒子相同的物理定律，但它們“附著”在固體材料上，可以看作是粒子投射到其上的幻影，即馬約拉納費(fèi)米子模型。 。
為了簡(jiǎn)化描述，真實(shí)的馬約拉納粒子是三維的失蹤物理學(xué)家，而虛擬的馬約拉納費(fèi)米子模塊是一維的。
論文本身使用了專(zhuān)業(yè)表述“手性馬約拉納費(fèi)米子模式”，但媒體卻廣泛使用了更流行的術(shù)語(yǔ)“馬約拉納粒子”，這引起了一些誤解。
爭(zhēng)議之二：捐款分配的“內(nèi)訌”。 張首晟帶頭成果被廣泛曝光后，王康龍對(duì)其“威望”不滿。 他公開(kāi)表示張首晟沒(méi)有參與實(shí)驗(yàn)，直到論文發(fā)表前三個(gè)月，張首晟才要求成為文章的通訊作者。
2018年12月，張首晟因抑郁癥在斯坦福大學(xué)墜樓身亡。 公眾關(guān)于“天使粒子”的討論逐漸沉寂。 然而，關(guān)于實(shí)驗(yàn)重復(fù)性的第三個(gè)爭(zhēng)議一直是暗流。
結(jié)果公布后，國(guó)際上多個(gè)研究小組嘗試重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但都沒(méi)有獲得“天使粒子”的明確證據(jù)。 一些理論表明，臨界半整數(shù)電導(dǎo)平臺(tái)可能不是由手性馬約拉納費(fèi)米子模式引起的，有幾種更平淡的解釋?zhuān)ú牧线吘壍摹岸搪贰眴?wèn)題。
事實(shí)上，《天使粒子》論文從投稿到發(fā)表僅用了一年的時(shí)間。 據(jù)知情科研人員透露，《科學(xué)》的審稿人確實(shí)有這樣的顧慮，要求王康龍團(tuán)隊(duì)盡量排除其他可能性，然后才最終接受。
幻滅
此次《》發(fā)表的陰性結(jié)果論文最終指向了“短路”的平庸機(jī)制。 該論文的標(biāo)題是“量子反?；魻柍瑢?dǎo)器件中手性馬約拉納費(fèi)米子模式缺乏證據(jù)”。
仿照《天使粒子》論文中的實(shí)驗(yàn)，賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)制作了 30 多種普通超導(dǎo)體和反常量子霍爾效應(yīng)薄膜相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)器件處于反常量子霍爾態(tài)且與磁化方向一致，兩端的電導(dǎo)始終呈現(xiàn)半整數(shù)階躍。 這與“天使粒子”論文實(shí)驗(yàn)中整數(shù)步和半整數(shù)步共存的結(jié)果不一致。
最新逆轉(zhuǎn)論文發(fā)表
文章認(rèn)為，這個(gè)半量子化電導(dǎo)平臺(tái)不太可能是由樣品中的手性馬約拉納粒子引起的。 研究小組指出，之前的實(shí)驗(yàn)忽略了覆蓋反常量子霍爾效應(yīng)薄膜的超導(dǎo)條與兩側(cè)反常量子霍爾絕緣體的簡(jiǎn)單電連接。 換句話說(shuō)，造成“短路”。 這種短路就是“半步”現(xiàn)象的根本原因。
80多年過(guò)去了，馬約拉納費(fèi)米子仍然沒(méi)有蹤跡。 它曾經(jīng)以幻影的形式出現(xiàn)在凝聚態(tài)物理界的熱門(mén)材料上，而當(dāng)它涉及到拓?fù)淞孔佑?jì)算的熱門(mén)話題時(shí)，它就更加誘人，但最終證明只是一個(gè)夢(mèng)想。
