中國僑網(wǎng)7月22日電 據(jù)美國中文網(wǎng)微信公眾號報道,，“你們有誰熟悉拓撲絕緣體這個理論？”——在熱門美劇《生活大爆炸》第四季14集的一開始,，鬼才物理科學家謝爾頓站在講臺上,，向在座學生們提出了這樣一個他自認難度系數(shù)頗高的問題。

　　這一集播出的當晚，“拓撲絕緣體”這一關鍵詞被4000多萬人關注,，而提出“拓撲絕緣體”這一概念的正是享譽世界的前沿物理學家,、斯坦福大學杰出華裔教授張首晟(Shoucheng Zhang)。

　　幾年之后,，張首晟再次感受到這種大眾盛情。

　　在過去的24小時內,，他成了華文媒體競相報道的主角,，“諾貝爾獎”、“驚世突破”,，這些重磅概念被媒體一一加諸其身,。硅谷當?shù)貢r間7月20晚，筆者第一時間致電張首晟向他表示恭賀時,，他坦言現(xiàn)在一切太過“overwhelming”,。

　　這一切，源自7月20日發(fā)表在《科學》雜志上的一篇文章,。在這篇文章中,，作者們通過一系列實驗,，證實了手性(在多種學科中表示一種重要的對稱特點)馬約拉納費米子(Majorana fermion)的存在。經(jīng)過24小時的發(fā)酵后,，不少人對于這一術語更為熟悉的說法為“天使粒子”,。

　　不過，上述實驗的主導者之一——加州大學洛杉磯分校(UCLA)電機工程系教授王康隆教授則認為,，稱呼它為“太極粒子”似乎更為恰當,。在王教授看來，太極——這種中華文化的特殊元素能更為形象地傳達馬約拉納費米子正反合一的特殊屬性,。

　　不論是“天使粒子”還是“太極粒子”,，捕捉到馬約拉納費米子對于物理學史來說，都是一項具有里程碑意義的重大發(fā)現(xiàn),。今天上午,，王康隆教授接受了美國中文網(wǎng)的電話采訪，分享了此次發(fā)現(xiàn)背后的故事,，并解釋了新發(fā)現(xiàn)的理論和應用價值,。

　　追捕神秘的“馬約拉納”

　　過去80年間，全球物理學界都在捕捉神秘的馬約拉納費米子,，這場漫長的捕捉活動源于意大利物理學家埃托雷,。馬約拉納(Ettore Majorana)在1937年提出一個大膽假設。

　　在物理學領域,，構成物質的最小,、最基本的單位被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質,，也是組成各種各樣物體的基礎,。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子,，分別以美國物理學家費米(Enrico Fermi)和印度物理學家玻色(Satyendra Nath Bose)的名字命名,。人類已知的所有基本物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料(電子,、夸克,、中微子)，而傳遞作用力的粒子(光子,、介子,、膠子、W和Z玻色子)都是玻色子。

　　較早之前,，英國物理學家保羅,。迪拉克(Paul Dirac)的觀點占據(jù)主導地位。他在1928年提出假想,，認為宇宙的每個基本粒子,，都有一個相對的反粒子，就像是一對雙胞胎,，但是帶著正負能量,，當它們相遇時會相互湮滅。幾年后,，物理學家確實發(fā)現(xiàn)了反物質,，即和電子相對的正電子(Positron，又稱反電子),。

　　這種觀念在1937年出現(xiàn)顛覆,。意大利物理學家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子,，它們的反粒子就是它們自身,，這種費米子被稱為馬約拉納費米子。

　　在馬約拉納預言這種特殊費米子存在后近80年的時間里,，全球科學家們從未停止過對于Majorana的追捕，但一直未果,。過去20年,，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，物理學界離這種神秘的費米子越來越近,。在加州高校之外,，包括普林斯頓等諸多全球知名學府也在堅持不懈地進行著各類實驗，只不過,，實驗結果往往模棱兩可,，不太理想。

　　一篇文章 十年功夫

　　一年多以前,，在加州大學洛杉磯分校的實驗室內,，馬約拉納費米子第一次閃現(xiàn)了跡象，實驗數(shù)據(jù)落在量子系數(shù)的范圍之內,，完美得令實驗室的科學家們不敢相信,。

　　一次偶發(fā)性的實驗結果不足為據(jù)，有意義的實驗結果需要反復數(shù)十次的可重復性論證。一次又一次,，數(shù)據(jù)完美重合,。于是，在反復驗證近30次后,，實驗組滿懷信心地整理了實驗報告,，并在一年之前向《科學》雜志提交了論文初稿。

　　“第一次提交后,，審稿人向我們提出,，在馬約拉納費米子外另一種可能導致實驗結果的可能性”，王教授告訴美國中文網(wǎng)：“隨后,，我們又經(jīng)過不斷地實驗論證,，排除了其它可能性。這樣的來回有兩三次,，每一次都是長達30頁的反饋報告,。”

　　直到2017年7月20日,，這篇文章終于在《科學》上發(fā)表,，文章總計20位署名作者，分別來自于8所高校和機構,，其中主導者為加州大學洛杉磯分校的王康隆實驗團隊和斯坦福大學的張首晟理論團隊,。

　　事實上，從啟動研究到文章發(fā)表,，前后歷時長達十多年,。這其中，實驗材料的甄選尤為重要,。據(jù)王康隆教授介紹,，整個實驗組前前后后共計篩選了近4000種材料， 并在精益求精地不斷優(yōu)化之后,，才最終讓馬約拉納費米子切實現(xiàn)形,。這其中，張首晟在2008年提出的“拓撲絕緣體”的指導意義很關鍵,。

　　此次研究團隊發(fā)現(xiàn),，在磁性拓撲絕緣體薄膜與超導體混合的結構中施加強度很低的磁場之后，會形成量子反?；魻栃獞B(tài)與超導態(tài)共存的狀態(tài),，此時在磁場交替反轉的位置可以觀測到手性拓撲超導序對應的半整數(shù)量子化電導，這種現(xiàn)象也是馬約拉納費米子模式的一個鮮明特征,。

　　實驗結果應用價值巨大

　　本次發(fā)現(xiàn)結束了物理學界長達80年對馬約拉納費米子的追蹤,，被廣泛認為是繼發(fā)現(xiàn)“上帝”粒子(希格斯波色子),、中微子、引力子之后的又一里程碑,。它不僅具有重大的理論意義,，而且具有重要的潛在應用價值——讓量子計算成為現(xiàn)實。

　　當前,，計算速度已經(jīng)接近飽和,，量子計算又因為穩(wěn)定性欠佳而進步受限，馬約拉納費米子分發(fā)現(xiàn)為計算機速度的再一次騰飛提供了可能性,?！榜R約拉納費米子在‘拓撲包裹’之下具有極高的穩(wěn)定性”，王康隆教授向美國中文網(wǎng)解釋稱,，“這一特性將使得計算機在計算量和復雜難度上實現(xiàn)質的飛躍,。”

　　也正因如此,，微軟,、IBM等知名IT巨頭對于相關研究非常重視，且紛紛投入大量資金,，爭相占領量子計算領域的制高點,。王康隆教授透露，目前的研究新方向粒子組合,，以實現(xiàn)復雜計算,。預計，當前發(fā)現(xiàn)將在可預見的未來逐漸走向商用,。

　　重大突破背后的華人科學家群像

　　“他獲諾貝爾獎只是早晚的事”,，在馬約拉納費米子被捕捉到的消息被媒體曝光后，諾貝爾獎得主,、華裔物理學家楊振寧在接受采訪時,，毫不吝嗇地對曾經(jīng)的學生張首晟予以嘉獎。

　　毫無疑問,，張首晟是現(xiàn)今物理學界最受矚目的華人科學家。1996年,，年僅33歲的張首晟成為斯坦福大學教授,。憑借拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應兩項理論的發(fā)現(xiàn)，張首晟于2010年獲得歐洲物理獎,；2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎,；2014年獲得美國富蘭克林獎。如今,，馬約拉那費米子的發(fā)現(xiàn),，再次彰顯了張首晟提出的理論基石的重要意義,。

　　在楊振寧和李政道一同摘下諾貝爾獎之后，越來越多的華人科學家走上世界舞臺,。在7月20日發(fā)表于《科學》的這篇文章中,，絕大多數(shù)主要貢獻者均為華人。主要團隊領先者中,，張首晟來自中國上海,，目前在任職斯坦福大學，同時受聘于清華大學,。王康隆來自中國臺灣地區(qū),，與中國大陸高校交流廣泛。他的學生,、論文首作何慶林來自中國廣東,，目前在UCLA擔任博士后研究員。另一位署名學生寇煦豐則已經(jīng)學成回國,，加入了上?？萍即髮W，擔任助理教授,。

　　“在加州,，華人教授與學生都很多，這產(chǎn)生了聚集效應,，并與來自中國以及全球的華人科學家們共同織成一張良性循環(huán)的網(wǎng)”,，王康隆告訴美國中文網(wǎng)：“不同于楊振寧獲獎的時代，現(xiàn)在中國經(jīng)濟實力和科研技術不斷進步,，科研經(jīng)費也日漸充足,。中國與美國在理論和應用科學方面的差距將逐漸縮小，我們將看到更多中國/華人科學家在世界科學史的舞臺上做出重要貢獻,?！?/p>

　　與其說，張首晟個人獲得諾獎“只是早晚”,，不如說,，華人科學家的集體閃耀“已經(jīng)到來”。