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超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？

出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为上海交通大学贾金锋演讲实录：
大家好 ， 我的名字叫贾金锋 ， 我今天做的报告题目是“寻找马约拉纳费米子” 。
看到这个题目 ， 大家可能有一大堆问题 。 首先 ， 什么是马约拉纳费米子？
基本粒子
要了解马约拉纳费米子 ， 首先我们要知道什么是费米子 。
大家熟知的粒子是原子、分子 。 物质世界就是由这些原子、分子组成的 ， 它们是保持物质性质最小的基本单元 。
如果把原子、分子再往下分 ， 就会分出很多被叫做“基本粒子”的东西 ， 比如夸克、轻子、胶子、光子等 。 它们比原子分子更小 ， 是组成物质世界的单元 ， 我们叫做基本粒子 。
超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？
这么多的基本粒子要怎么研究呢？
一位天才的科学家叫做狄拉克 ， 他把基本粒子分成两类 ， 一类叫费米子 ， 一类叫玻色子 。
玻色和费米 ， 他们两位都是非常伟大的科学家 。 为了纪念他们 ， 所以狄拉克用他们的名字命名了这两类基本粒子 。
狄拉克还预言 ， 每一种基本粒子都存在一种反粒子 。 比如说 ， 电子是一种费米子 ， 我们用的电就是由电子产生的 ， 它的反粒子就是正电子 。
所以 ， 到目前我们知道了什么是费米子 ， 什么是玻色子 ， 每种粒子会有反粒子 。
【超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？】在这之后 ， 出现了一位更伟大的科学家 ， 他叫马约拉纳 ， 这是一位非常天才的科学家 。
超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？
这个天才不是我说的 ， 是跟他一起工作的费米说的 ， 费米就是刚才费米子的费米 。 费米本身就是一个非常天才的科学家 ， 他很少夸别人是天才 ， 但是他夸马约拉纳是一个天才 ， 可想而知马约拉纳是多么天才了 。
马约拉纳做了这么一个预想：在狄拉克方程的基础上 ， 他预想存在一种神奇的粒子 ， 它和它的反粒子一模一样 ， 即正反粒子都是它自身 ， 这个预想中的粒子被称为马约拉纳费米子 。
现在大家清楚什么是马约拉纳费米子了吧 。 首先要知道清楚什么是费米子 ， 然后费米子都有反粒子 ， 如果反粒子和自己一样 ， 那就是马约拉纳费米子 。
为什么要找马约拉纳费米子？马约拉纳费米子有什么好的地方？
一方面 ， 从理论上来讲 ， 马约拉纳做了这样一个预言 ， 不仅因为他是一个天才的科学家 ， 而且这个预言本身就意义非凡 。 如果你找到了马约拉纳费米子 ， 就证明了马约拉纳理论的正确性 ， 这对科学研究来说非常重要 。
另一方面 ， 证明马约拉纳费米子的存在 ， 有利于理解其他学科理论 。 比如 ， 我们常听说的一个暗物质 ， 暗物质理论提出以后 ， 有科学家预言 ， 暗物质的备选粒子也是马约拉纳费米子 。 所以 ， 如果我们能够找到马约拉纳费米子 ， 将有助于人们理解暗物质 。
更重要的是 ， 马约拉纳费米子还可以做拓扑量子计算 。
所以 ， 马约拉纳费米子除了在理论上、基础研究上有重要性之外 ， 还可以用来做拓扑计算 。
马约拉纳费米子既有非常重要的理论意义 ， 在实际应用中也很重要 ， 所以马约拉纳的预言出来之后 ， 人们一直在找寻它 。
超导体|80年前的马约拉纳猜想，和当今火爆的拓扑量子计算有什么关系？
怎么找到马约拉纳费米子呢？
怎么找？下面我就讲讲我们是怎么找马约拉纳费米子的 。
实际上 ， 我们找的马约拉纳费米子是一种准粒子 ， 不是像电子、质子这样的真粒子 。
准粒子是个什么概念呢？就是性质像粒子 ， 但本质并不是粒子 。
在凝聚态物理体系里 ， 如果你把很多个电子、原子按照某种形式组合起来 ， 这个整体可以表现出与马约拉纳费米子同样的性质 ， 同样遵从马约拉纳方程 ， 我们就把这种组合叫做“准”马约拉纳费米子 。
所以 ， 我们要找的并不是一个真的单个粒子 ， 而是在固体里面表现出马约拉纳费米子特性的多个电子、原子的组合 ， 被称为“准”马约拉纳费米子的东西 。
知道这个以后 ， 我们就可以开始进行下一步了 ， 看看怎么找这个马约拉纳费米子 。
有科学家提出 ， 马约拉纳费米子存在于一种叫做拓扑超导的材料里面 。
所有自然界的材料 ， 它们有导电的 ， 有不导电的 ， 导电的叫导体 ， 不导电的叫绝缘体 ， 电阻值为零的导体叫超导体 。
后来人们发现了一种内部绝缘但表面导电的特殊绝缘体 ， 叫做拓扑绝缘体 。 拓扑什么意思呢？就是指这种材料的“表面”在一种保护下能够保持其导电性质“不变” 。
那有没有可能存在一种跟拓扑绝缘体相对应的拓扑超导体呢？
实际上 ， 我们在自然界中发现了成千上万种超导体 ， 没有一种是拓扑超导体 。
拓扑超导体在自然界中是不存在的 ， 这就是一个很大的问题 。


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