物理界神秘粒子“捕手”：他的發現將如何影響我們的生活？ 焦點熱文

編者按：

隨著我國深入實施創新驅動發展戰略，科技自立自強的重要性愈發顯現。要解決“卡脖子”的技術短板，基礎研究和前沿技術突破是關鍵，而其中最核心的，是要有高水平科學家及團隊來提出問題、解決問題。

量子計算、先進材料、飛秒激光、黑洞照片……每一項重大突破的背后，是一個個鮮活有趣的人。對于這些“板凳甘坐十年冷”的群體，第一財經策劃啟動全媒體系列欄目《原來你是這樣的科學家》，通過長期跟蹤采訪，走近這些追逐“星辰大海”的科研工作者。

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提到“馬約拉納費米子”？很多人乍看可能一頭霧水。

馬約拉納費米子是意大利物理學家馬約拉納在1937年提出的預言，即這個奇異的粒子作為一種特殊的存在，粒子本身與它的反粒子完全相同。之后的80年里，全球物理學家一直在找尋這個“正反同體”粒子存在的證據，但并無結果。

突破發生在2016年，中國科學家賈金鋒團隊率先“捕捉”到了這個神秘粒子，在世界上首次確切探測到馬約拉納費米子的存在，也意味著人類在量子物理學領域取得了一個重大突破，這個發現不僅有助于量子計算機的研制，給信息科技帶來革命性變化，還能進一步揭開暗物質的謎團。

“我們正在做這件事情，就是要把馬約拉納費米子的性質了解清楚，然后能夠操控它，想讓它在哪里出現就在哪里出現。如果做到了這一點，我們就可以用它來做拓撲量子計算了。”中科院院士、上海交通大學物理與天文學院副院長、南方科技大學代理副校長賈金鋒近日接受第一財經獨家專訪時說。

就在今年3月，賈金鋒和鄭浩團隊的科研成果“實驗證實超導態‘分段費米面’”入選了2022年度“中國科學十大進展”，為超導計算機的核心部件之一超導二極管的研制提供了一種可能的理論路徑。

作為找到打開拓撲量子計算機大門“鑰匙”的科學家，這位神秘粒子“捕手”是如何找到馬約拉納費米子的，未來他還將如何“操控”它們？

凝聚態物理和我們的生活有什么關聯

物理作為一門研究自然界基本規律的科學，不僅揭示自然界中許多現象背后的原理和機制，也是支撐人類科技發展的關鍵。在賈金鋒看來，雖然從事的是物理領域研究，不過他主攻的凝聚態物理領域工作主要是研究各種各樣的材料，因此也和國民經濟生活息息相關。

作為物理學的一大分支，凝聚態物理是一個高度多元化的研究領域，不僅涵蓋了超導體、磁性材料和半導體等相對傳統的研究方向，也包含一些新興的前沿研究方向，如拓撲物理、界面超導、量子反常霍爾效應，還包含了各種復雜凝聚體系的研究，如新型生物與能源材料。

“我覺得20世紀人類最大的兩個發現，一個是激光，一個是計算機，這兩個都屬于凝聚態物理研究的成果。”賈金鋒告訴記者，比如半導體、由此產生的晶體管以及后來的集成電路，隨之誕生的各種各樣的信息科技，包括計算機、手機等，都和凝聚態物理緊密相關。除此之外，他們還研究磁有關的現象，以及超導研究。“凝聚態物理領域吸引了很多人，我自己也是對這個領域感興趣一直做到現在。”

從2008年算起，賈金鋒已經從事拓撲超導量子計算領域研究15年，接下來他們還要繼續研究如何操控這個“神秘粒子”。“追蹤到費米子是一個非常大的進展，我們還要繼續研究它的性質，并對它進行操控，想讓它去哪里就去哪里。”

迄今為止，全球并未制造出真正意義上的量子計算機，其中一個重要原因就是用于量子計算的粒子的量子態并不穩定，而馬約拉納費米子這種正反粒子同體的特殊存在使得它的狀態非常穩定。這些屬性或成為實現量子計算機制造的鑰匙，幫助人類打開拓撲量子計算時代，屆時眼下超級計算機需要耗費巨大算力才能處理的問題，對于量子計算機來說是小菜一碟。

不過，找到馬約拉納費米子已經如此不易，操控是否更難？

“馬約拉納費米子并不是一個傳統意義上的粒子，而是一種準粒子，但它同樣符合馬約拉納的預言，準粒子是凝聚態物理中一個重要概念。”賈金鋒介紹。

之所以捕捉到馬約拉納費米子的過程如此難，正是由于它被上方的超導材料覆蓋。賈金鋒團隊則獨辟蹊徑把超導材料放在了下面，使它上方“生長”出了拓撲絕緣體薄膜，讓拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體，把馬約拉納費米子從“暗處”翻到了“明面”上來觀察。在經歷無數次的實驗和驗證后，他們率先觀測到了在超導渦旋中馬約拉納費米子的蹤跡，實驗中還創新性地測量了馬約拉納費米子的空間分布及自旋特性，這些方法目前在國際上被廣泛使用。

他解釋，想要操控馬約拉納費米子的移動，還需要物理學和工程學兩個領域的科研人員一起來推動。“操控移動應該幾年內就能實現，但是更難的是實現操控后要對結果進行測量，看看是不是和理論相符合，這些都是以前沒人做過的研究。不過如果實現了這些目標，我們就可以用它來做拓撲量子計算。”

科研不能盲從、追熱點

雖然物理學是人類知識架構的基礎，但由于做相關基礎研究往往短期難以收獲質的突破，所以不是年輕人心中的熱門選擇，賈金鋒也在日常科普和講座中打破一些關于“學物理苦”的刻板印象。

從1983年考入北京大學物理系算起，賈金鋒已經從事物理學研究40年，在他看來，基礎研究在整個創新鏈中至關重要，尤其物理是非常有用且有意思的一門學科，它的每一個進步都會給社會帶來一些變化。

以日常用的硬盤來說，之所以現在硬盤存儲容量大而且攜帶便利，就是因為人們了解到了“巨磁阻效應”。“我記得大概上世紀八九十年代，一個大大的硬盤存儲容量只有幾十兆，現在一個小小的硬盤就可以做到很多T，這種進展就來源于物理學。”賈金鋒說。

不久前，他在一所中學給同學們作了場《為什么要學物理》的講座，勉勵學子們將來要積極投身物理學等領域的科研工作。“通過這個講座想讓他們知道學物理是非常好的一個選擇，雖然它有挑戰。不過人生中必須要有挑戰，有挑戰才有意思。”

賈金鋒還提到：“學物理多年以前是很辛苦的，現在我們國家條件好了，從科研經費到科研儀器都有了大進步，特別是近年來對科技人才發展愈加重視，我們做基礎研究的收入也不比別的行業差。”

在他看來，眼下比經費和先進儀器更重要的，是社會上關于基礎研究的整體氛圍。“當全社會的人都意識到基礎研究的重要性，不用我們再宣傳做基礎研究就會認識到它很重要，并自發地去加強基礎研究，和做基礎研究的人合作，推進各行各業的發展，這個環境就很好了。”

對于想從事科學研究的年輕人來說，賈金鋒也給出了過來人的建議。他說，做科研，特別是做基礎研究，必須要有新的想法，不能去重復別人的工作，也一定不要追熱點。“最重要的是要堅持自己的想法，只有你堅持自己的想法，然后去做自己認為重要的事情，才會有突破。”除此之外，就是要沉得住氣。“人家都不去做這個東西，你就要能靜得下來，也就是能坐冷板凳，一旦做出來，這就是你的原始創新了。”

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