2017年,王康隆、张首晟等多位华人科学家共同完成的一项工作首次报道,发现了手性马约拉纳费米子,张首晟称其为“天使粒子”,引起了学界和社会的广泛关注。2020年1月2日,宾夕法尼亚州立大学常翠祖等科学家发表的文章,显示在相似实验平台中观测到的结果并不相同,他们只观测到了一种类似“短路”的现象。这是为什么呢?以下为2017年论文的两位作者对于“天使粒子”是否在固体中存在的讨论。
马约拉纳费米子(Majorana fermion,下简称MF),也有人称作“天使粒子”,是意大利物理学家埃托奥·马约拉纳提出的一种独特的粒子。和一般的粒子不同,这种粒子是其自身的反粒子。由于这一独特性质,该粒子很难被探测。
在2017年,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)团队成功在固体材料中实现了MF态,成果发表在《科学》杂志上(DOI: 10.1126/science.aag2792),引起了广泛的关注。
最近,美国宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)团队尝试重复UCLA团队的实验结果。
在30片和UCLA团队“类似”的样品中,Penn State的团队没有观察到UCLA之前发表的实验信号与现象。在他们的实验结果中(如图1所示),其样品的电导似乎一直保持在0.5e2/h;而在UCLA的结果中,其电导则表现出了~1e2/h、0.5e2/h和~0的变化。Penn State团队的论文近日发表在《科学》杂志上(DOI: 10.1126/science.aax6361)。
这一结果在学术界和社交媒体引起了争议。大家都在讨论,MF在固体中到底是否存在?
针对上述实验结果产生的争议,我们分三点展开讨论:(一)两个实验组所使用的样品有较大差异,实验结果不同且得出的结论并不相互排斥;(二)观测MF需要达成苛刻的实验条件。需要高质量的量子反常霍尔绝缘体和适当的界面耦合,并不是耦合越强越好;(三)UCLA团队之前工作的结论得到了其他实验结果的支持。
早在2019年4月,Penn State团队在Arxiv上发表了其《科学》文章的草稿,这一草稿指出超导体会把其下面的量子反常霍尔绝缘体短路,以致在扫描磁场的时候,全程只出现0.5e2/h的平台,不能测出大于0.5e2/h的电导信号,因此无法测出MF态的信号。
两周后,针对“短路”这一问题,UCLA团队已经在Arxiv(arXiv:1904.12396)上进行了回复,发表了部分新的数据,一定程度上重复了之前的实验结果。这些新实验、新数据均由UCLA团队的新成员操作、测试和分析。在实验过程中,UCLA团队还探究了两个团队实验结果不一致的物理根源,这些结果后续会发表。
结合UCLA和Penn State两个团队的结果,我们可以得出结论:尽管材料体系在基本物理图像上非常接近,但由于众多实验细节的不同,拓扑相的分布以及其控制参数可能非常不同,两个团队事实上可能在探索一个巨大相图的不同部分,而并非一个结果对另一个结果的排斥或否定。这也意味着实现MF的拓扑超导体的变量空间仍有很多未知的区域等待探索,这远不是一两个团队在短期可以实现的重任。