理論物理學家Ettore Majorana在1937年預言了一種與自身互為反粒子的不帶電的純中性粒子，後來，在某些物理學家的反覆努力下，將其冠上了「天使粒子」的名頭——為了蹭上帝粒子的熱度。
2017年，科學家通過實驗取得了馬約拉納費米子存在的證據。它們的獨特性質可被用於構建拓撲量子計算機。
但是最近，由賓州大學物理學助理教授Cui-Zu Chang領導的、賓州大學和德國維爾茨堡大學的聯合團隊檢驗了2017年的實驗過程。他們發現，當時確認為天使粒子表征，不太可能來自天使粒子。研究的論文發表在2020年1月3日的《科學》上，這也是《科學》期刊上少有的否定性質的研究論文。
「當義大利物理學家Ettore Majorana預言存在自身互為反粒子的基本粒子時，他應該沒想到，他的想像力影響如此深遠。」賓州大學量子物質科學協同創新中心主任兼物理學教授Nitin Samarth說，「之後80年里，物理學家在宇宙各個角落積極尋找著難以捉摸的馬約拉納費米子。」
粒子物理學家一度懷疑「鬼魂粒子」中微子可能就是馬約拉納費米子。在完全不同的方向上，凝聚態物理學家在結合了奇異量子材料和超導體的固態器件中發現了表現為馬約拉納粒子的准粒子。在這樣的設備中，通過將由量子力學、相對論物理學和拓撲學等核心內容編織在一起，使電子呈現出理論上馬約拉納費米子的性質。馬約拉納費米子的這種擬制形式特別引起了凝聚態物理學家的關注，因為它可以為構建拓撲量子計算機提供途徑。」
「朝遙遠的拓撲量子計算機邁出的重要一步是，證明在冷凝物中存在馬約拉納費米子的確切實驗證據。在過去7年左右的時間裡，一些實驗室聲稱，觀察到了這種證據，但這些結果仍存在爭議。」
該團隊研究了被稱為「量子異常霍爾絕緣體」的材料，其中電流僅在邊緣流動。之前有研究預測，當邊緣電流與超導體完全接觸時，會產生超導性的手性馬約拉納費米子，且器件的電導率應「半量子化」(值e2/2h，其中e為電子電荷，h是受到精確磁場作用的普朗克常數)。賓夕法尼亞州立大學—維爾茨堡分校團隊用不同材料製造了3打器件，發現具有純超導觸點的設備始終顯示半量子化，而與磁場條件無關。發生這種情況是因為超導體的作用就像電短路一樣，因此無法證明馬約拉納費米子的存在性。
什麼意思呢？在材料中生成馬約拉納費米子的准粒子，會伴隨器件電導率「半量子化」的現象，但是，新研究發現，超導體引發的短路效應也會導致電導率「半量子化」，所以上述特徵就不具有說服力。
「實際上，賓州州立大學和維爾茨堡的兩家實驗室使用多種配置獲得了完全一致的結果，這一事實使人們對理論上以往實驗的有效性產生嚴重懷疑，並質疑2017年觀察到天使粒子的說法。」賓夕法尼亞州立大學物理學名譽教授Moses Chan說。
賓夕法尼亞州立大學的博士後研究助理Morteza Kayyhaha說：「我仍然樂觀地認為，量子異常霍爾絕緣體和超導電性的結合對於實現手性馬約納拉是有吸引力的方案。但是我們的理論家需要重新考慮材料的幾何形狀。」
本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。