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马约拉纳费米子

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粒子物理学标准模型
u夸克粲夸克顶夸克胶子希格斯玻色子d夸克s夸克b夸克光子电子Μ子Τ子Z玻色子电中微子Μ中微子Τ中微子W玻色子标准模型费米子玻色子夸克轻子标量玻色子规范玻色子en:Vector boson
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理论家

马约拉纳费米子（英语：Majorana fermion）是反粒子为自身的费米子，1937年，埃托雷·马约拉纳发表论文假想这种粒子存在，因此而命名。与之相异，狄拉克费米子，指的是反粒子与自身不同的费米子。

除了中微子以外，所有标准模型的费米子的物理行为在低能量状况与狄拉克费米子雷同（在电弱对称性破坏后），但是中微子的本质尚未确定，中微子可能是狄拉克费米子或马约拉纳费米子。在凝聚态物理学里，马约拉纳费米子以准粒子激发的形式存在于超导体里，它可以用来形成具有非阿贝尔统计（英语：non-abelian statistics）的马约拉纳束缚态。

理论

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这一概念由马约拉纳于1937年提出[1]，他对狄拉克方程改写得到了马约拉纳方程，可以描述中性自旋1/2粒子，因而满足这一方程的粒子为自身的反粒子。

马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化的产生及湮没算符表示。产生算符会产生量子态为的费米子，湮没算符则会将其湮没（或者说产生对应的反粒子）。对于狄拉克费米子，与不同，而对于马约拉纳费米子，两者相同。

埃托雷·马约拉纳在1937年假设存在马约拉纳费米子

基本粒子

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目前的基本粒子中尚无已知的马约拉纳费米子。不过现在对于中微子的本质仍缺乏了解，它有可能是马约拉纳费米子或狄拉克费米子。无中微子双β衰变可以视为一种双β衰变事件，在这事件中，假若中微子确为马约拉纳费米子，则产生的两个中微子会立刻相互湮没，因为它们彼此都是对方的反粒子。[2]目前已有实验在寻找这类衰变的踪迹。[3]

在强子对撞机里，无中微子双β衰变过程的高能量类比是同正负号带电轻子对的产生。[4]大型强子对撞机的超环面仪器与紧凑μ子线圈正在寻找这类事件。在手征对称性理论里，这两种过程之间存在着深厚的关连。[5]根据翘翘板机制，一种最为学术界接受的对于为什么中微子质量会如此微小的解释，中微子是个天然的马约拉纳费米子。

马约拉纳费米子不能拥有电矩或磁矩，只能拥有环矩（英语：toroidal moment）。[6]由于与电磁场的相互作用非常微小，它是冷暗物质的可能候选。[7]超对称模型中假想的中性微子是马约拉纳费米子。

准粒子

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在超导材料中马约拉纳费米子可作为准粒子产生。在超导体里准粒子是自己的反粒子，因此使得这行为可以发生。超导体会规定电子-空穴对称于准粒子激发，将能量为的产生算符与能量为的湮没算符关联在一起。当能量（费米能级）为零时，γ=γ†，马约拉纳费米子会束缚于某个缺陷，整个物体称为“马约拉纳束缚态”或“马约拉纳零模”。[8]这些物体不再遵守费米统计，而是非阿贝尔统计（non-Abelian statistics）的任意子，变换次序会改变系统的状态。马约拉纳束缚态所遵守的非阿贝尔统计使得它们有可能被应用于拓扑量子计算机。[9]

由于费米能级位于超导能隙中，因而出现中间能隙态（midgap state）。中间能隙态可能被俘获于某些超导体或超流体的量子涡旋（英语：quantum vortex）中，因此可能是马约拉纳费米子的发源处。[10][11][12]另外，超导线的端点或超导线缺陷处的肖克利态（英语：Shockley state）也可能是马约拉纳费米子的纯电系发源处。[13]另外还可以用分数量子霍尔效应替代超导体为马约拉纳费米子的发源。[14]

2008年，傅亮与查尔斯·凯恩（Charles Kane）给出突破发展，他们预言马约拉纳束缚态会出现于拓扑绝缘体与超导体的界面。[15]随后，其他物理学者发表了很多类似论文。

超导实验

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自傅亮等的论文发表后，许多科学家都试图做实验在超导体中寻找马约拉纳费米子。[16][17]  2012年物理学者发现了马约拉纳准粒子可能存在的首个证据[18][19]。来自荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所的研究团队进行了相关实验[20]，他们将锑化铟纳米线与一条电路相连，一边为正常的金电极接触区域，另一边为超导体薄片接触区域。设备暴露于中等强度的磁场中，当施加在两个电极间的电压为0时导电率出现峰值，这与一对马约拉纳束缚态的形成相吻合，纳米线与超导体薄片接触区域的两端各有一个马约拉纳费米子。几乎与此同时，由瑞典隆德大学以及美国普渡大学也各自独立地在基于铌和锑化铟约瑟夫森结结构中分别观察到马约拉纳费米子所引起的零偏压电导峰及交流分数约瑟夫森效应[21][22]。随后，更多实验室发现零偏压电导峰现象，如以色列威尔兹曼研究所在砷化铟、丹麦玻尔研究所在更为纯净的外延砷化铟-铝系统中都发现了这种零能态。[23][24]

更多证据也在基于隧道扫描探针系统中被发现。2014年，普林斯顿大学研究团队使用低温扫描隧道显微镜发现在超导铅元素板表面的一条铁元素长链的两端会出现零能电导峰。[25][26]未参与这项实验的加州理工学院物理学者杰森·阿理夏（Jason Alicea）评论，这项实验给出马约拉纳费米子存在的“令人信服”的证据，但是“我们应该注意到还有其他可能的解释——即使暂时还没有这样的理论”。[27]

中国科学家在该领域也做出了杰出贡献。2016年初，上海交通大学科研团队在实验室里成功地在超导拓扑薄膜系统中探测到了具有零能的漩涡态，并证明这种零能态具有安德烈夫反射自旋选择性，这为马约拉纳零能态提供了另外一种判据，使实验事实更加可靠。[28]

2017年，斯坦福大学张首晟团队与加州大学洛杉矶分校的王康隆团队、加州大学欧文分校的夏晶团体合作，在超导-量子反常霍尔平台中发现了具有半个量子电导的边缘电流，与理论预言的手性马约拉纳粒子十分吻合。这是在霍尔效应平台系统中第一个具有确凿证据的马约拉纳测量结果。[29]

这些基于超导体平台的实验可能证实了理论的马约拉纳零能束缚态。但是，具备零能态只是马约拉纳准粒子众多性质中的一个，其它很多现象也可导致零能态。虽然零能态以及半个量子电导的越来越精确的测量可以排除大部分干扰因素，但是马约拉纳准粒子的证实必须找到更令人信服的证据，例如，非阿贝尔统计特性以及拓扑保护等。[26][27]

参见

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参考文献

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  1. ^ Majorana, Ettore. Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone (PDF). Nuovo Cimento. 1937, 14 (4): 171. doi:10.1007/bf02961314. （原始内容 (link is to English translation)存档于2012-03-31） （意大利语）. 
  2. ^ Schechter, J.; Valle, J.W.F. Neutrinoless Double beta Decay in SU(2) x U(1) Theories. Physical Review D. 1982, 25 (11): 2951. Bibcode:1982PhRvD..25.2951S. doi:10.1103/PhysRevD.25.2951. 
  3. ^ Rodejohann, Werner. Neutrino-less Double Beta Decay and Particle Physics. International Journal of Modern Physics. 2011, E20 (9): 1833. Bibcode:2011IJMPE..20.1833R. arXiv:1106.1334 可免费查阅. doi:10.1142/S0218301311020186. 
  4. ^ Keung, Wai-Yee; Senjanović, Goran. Majorana Neutrinos and the Production of the Right-Handed Charged Gauge Boson. Physical Review Letters. 1983, 50 (19): 1427. Bibcode:1983PhRvL..50.1427K. doi:10.1103/PhysRevLett.50.1427. 
  5. ^ Tello, Vladimir; et al. Left-Right Symmetry: from LHC to Neutrinoless Double Beta Decay. Physical Review Letters. 2011, 106 (15): 151801. Bibcode:2011PhRvL.106o1801T. arXiv:1011.3522 可免费查阅. doi:10.1103/PhysRevLett.106.151801. 
  6. ^ Radescu, E. E. On the electromagnetic properties of Majorana fermions. Physical Review D. 1985, 32 (5): 1266–1268. Bibcode:1985PhRvD..32.1266R. doi:10.1103/PhysRevD.32.1266. 
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  8. ^ Wilczek, Frank. Majorana returns (PDF). Nature Physics. 2009, 5 (9): 614–618 [2012-04-14]. Bibcode:2009NatPh...5..614W. doi:10.1038/nphys1380. （原始内容 (PDF)存档于2012-05-23）. 
  9. ^ Nayak, Chetan; et al. Non-Abelian anyons and topological quantum computation. Reviews of Modern Physics. 2008, 80 (3): 1083. Bibcode:2008RvMP...80.1083N. arXiv:0707.1889 可免费查阅. doi:10.1103/RevModPhys.80.1083. 
  10. ^ N.B. Kopnin; M.M. Salomaa. Mutual friction in superfluid 3He: Effects of bound states in the vortex core. Physical Review B. 1991, 44 (17): 9667. Bibcode:1991PhRvB..44.9667K. doi:10.1103/PhysRevB.44.9667. 
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