三分鐘了解馬約拉納費米子

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1928年，物理學家狄拉克（Paul Dirac）推導出著名的狄拉克方程式，並因此預言反粒子的存在。僅僅四年之後，安德森（Carl Anderson）便從宇宙射線觀測到電子的反粒子（正子）。從此，反粒子便成了基礎物理拼圖裡不可或缺的角色。

時至今日，我們知道，所有粒子都有自己的反粒子。而且，粒子和其反粒子具有相同質量，卻攜帶相反電荷。除此之外，有些粒子比較獨特，它是自己的反粒子。

究竟，要什麼樣的粒子，才能成為自己的反粒子呢？  

如前所述，粒子和反粒子擁有的電荷是相反的。所以，必須是電中性的粒子，才可能成為自己的反粒子。舉例來說，不帶電的光子和希格斯玻色子，就是自己的反粒子。

然而，物理學家根據粒子的性質，將所有粒子分類成「自旋為整數的玻色子」和「自旋為半整數的費米子」。上述的光子和希格斯粒子，均是玻色子。1937年，物理學家馬約拉納（Ettore Majorana）提出，費米子可以是自己的反粒子──現稱為馬約拉納費米子（Majorana Fermion），只不過，至今我們仍未發現其存在。 

在粒子物理標準模型中，唯一有可能是馬約拉納費米子的，只有中微子。目前已有許多進行中的實驗，意在確認中微子是否真的是自己的反粒子。另一方面，在凝態物理領域，近年陸續有研究團隊發表相關研究，並在實驗中創造出類似馬約拉納費米子的現象──只不過，既有的觀測結果都還有些未竟之處。

 昨天（2017年7月20日），加州大學和史丹佛大學的團隊在知名期刊《科學》（Science）上發表文章〈Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure〉，宣佈發現馬約拉納費米子存在的確切證據。他們利用超導體和拓樸絕緣體製作出新的實驗裝置，比先前類似實驗更進一步，並成功觀測到期待的現象，顯示了馬約拉納費米子的存在。

嚴格來說，這個研究觀察到的馬約拉納費米子，並不是真正的馬約拉納費米子，而是一群電子在特別設計下，激發成為準粒子（quasiparticle）而表現出類似馬約拉納費米子的性質。自然界中，究竟存不存在基本的馬約拉納費米子仍是個問號。不過，若這個實驗成果為真，我們倒是可以肯定，能夠在實驗室人為地產生類似馬約拉納費米子的現象──這已經是實驗上的重要成就，而且可能具有許多應用上的潛力；如研究團隊領導者張首晟教授所言，這對未來建造量子電腦，將會有所幫助。

無論如何，這是人類在馬約拉納費米子的探索上，重要的一步，也是實驗方法的創新。就讓我們拭目以待未來的發展與應用吧！