80多年前，意大利物理學家馬約拉納曾預測宇宙中存在一種神奇的粒子——馬約拉納費米子。然而，不知為何馬約拉納卻神秘失蹤，這種神秘粒子是否真的存在也就成了一樁“懸案”。后來，凝聚態(tài)物理學家將馬約拉納費米子的概念引入到固體材料中，即馬約拉納束縛態(tài)。由于它具有非阿貝爾統(tǒng)計的性質，可運用于拓撲量子計算機，因此，尋找馬約拉納費米子成為物理學界最前沿的研究熱點。

近日，馬約拉納費米子“現(xiàn)身”了，主要發(fā)現(xiàn)者是中國科學院院士、中科院物理研究所研究員、中國科學院大學物理學院院長高鴻鈞及其團隊和中科院物理研究所研究員、中國科學院大學教授丁洪及其團隊。

2018年8月17日，農(nóng)歷七月初七，七夕情人節(jié)。女生化好精致的妝容等候著下班與伴侶浪漫約會，每家餐館門前都排起了“長龍”般的隊伍，既有燕侶鶯儔也有銀發(fā)伉儷，大街小巷隨處是玫瑰花的影子和香味……這一天，似乎空氣中也布滿了粉紅色的泡泡。

天色漸晚，華燈初上。與外面熱鬧的世界不同，中科院物理所納米物理與器件實驗室N04組的房間里雖亦是燈火通明，但略顯安靜和“冷清”，只有范朋和一臺龐大實驗儀器還在工作著，他們“背靠背”通過4塊電腦屏幕進行著無言的交流。

范朋是中國科學院大學2014級博士研究生（培養(yǎng)單位是中科院物理研究所），師從高鴻鈞院士。他可能還未意識到，他們團隊和中科院物理所研究員丁洪團隊共同研究的一項重大成果正在引起一場爆炸式“轟動”，這可能是2018年中國物理學界送給國際物理學界最浪漫的“七夕禮物”。

小房間里孕育的“大”成果

這個禮物——首次在鐵基超導材料中發(fā)現(xiàn)的馬約拉納束縛態(tài)（或稱“零能模”、馬約拉納費米子），8月17日凌晨在線發(fā)表在science《科學》雜志上，范朋是第一作者之一。

位于中科院物理所A樓一樓的納米物理與器件實驗室，大約30平方米，高鴻鈞團隊自主設計、集成研制的極低溫-強磁場-掃描探針顯微系統(tǒng)占據(jù)著房間三分之二的空間，馬約拉納費米子就是在這個設備上觀測到的。

1937年，意大利物理學家馬約拉納曾預測一種神奇的粒子：其反粒子就是它本身，人們便把這種神奇粒子稱為“馬約拉納費米子”。然而，不久后，他便離奇失蹤，再無蹤跡，但他的預測真假與否卻成了一樁“懸案”。

由于馬約拉納費米子具有一種極優(yōu)的特性——當它以準粒子的形式出現(xiàn)在固體材料表面時，就會變成馬約拉納任意子（一種量子狀態(tài)），這可以用來構造拓撲量子比特，應用于自容錯、高穩(wěn)定性的拓撲量子計算機。也就是說，如果成功，這將改寫人類的歷史。

不過，馬約拉納費米子是否真的存在，不同物理學家各持己見。直到2014年，丁洪團隊與國外科學家合作發(fā)現(xiàn)了某些“蛛絲馬跡”。2017年，將馬約拉納費米子命名為“天使粒子”的斯坦福大學講習教授、美國科學院院士張首晟及其團隊也進一步預測了出現(xiàn)馬約拉納束縛態(tài)可能合適的條件。

尋找馬約拉納費米子是物理學界最前沿的熱點之一，許多物理學家都投入到相關研究中，競爭異常激烈。近年來，美國、荷蘭、中國、丹麥等多個研究團隊都曾宣稱找到了馬約拉納任意子或者費米子的證據(jù)，但他們的實驗，都需要構造工藝復雜的異質結構體系，并且需要極低溫的條件。

高鴻鈞和丁洪聯(lián)合研究團隊的觀測結果被稱為是一項里程碑式的發(fā)現(xiàn)，也成為人類攻克拓撲量子計算機難題中的重要一步。

它的價值很大。

這是第一次在單一塊體超導材料中發(fā)現(xiàn)高純度的馬約拉納費米子，相比其他體系，該體系擁有更高溫、更純凈、結構更簡單的優(yōu)點，同時，為馬約拉納費米子的研究開辟了新方向。

它的意義十分重要。

張首晟說，這項發(fā)現(xiàn)科學意義十分重大，大大推動了鐵基超導的研究與馬約拉納費米子的研究。

諾貝爾物理學獎得主、美國科學院院士安東尼·萊格特認為，這次的實驗比許多以前的實驗更清晰，相信它是第一個可信的證明超導體中擁有馬約拉納準粒子的證據(jù)。

麻省理工學院講習教授、美國科學院院士文小剛表示，它有很高的穩(wěn)定度，這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，使鐵基超導材料有可能應用于構建對環(huán)境干擾免疫的拓撲量子計算機。

2019年年初，這項成果被中國科學院院士和中國工程院院士們列為“2018年中國十大科技進展”之一。

熱愛+努力

成功的故事總是相似的。一項重大成果的取得，背后一定由無數(shù)個默默奮斗的深夜累積而成。

范朋和王東飛對整個實驗經(jīng)歷記憶深刻。該研究始于2017年4月，從那時起，每天實驗室-食堂-宿舍“三點一線”就成了他們的“日常”，時不時地通宵作為“加菜”。王東飛是范朋的師兄、2013級博士研究生，也是論文的第一共同作者。

這個實驗需要利用He-3極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡對FeTe0.55Se0.45單晶樣品進行觀察。

一開始，他們并不知道哪些單晶樣品能出“好的結果”，只能不斷地嘗試，一共測試了47塊樣品。5月，王東飛和范朋在嘗試測試第二批樣品時，電腦屏幕上突然顯示出了一絲絲“小火苗”般馬約拉納費米子的跡象，他們很是驚喜，但同時也深知，這只是跡象，數(shù)據(jù)質量并不夠好。

一個月后的6月5日，他們終于獲得了第一套比較“漂亮”的數(shù)據(jù)——純粹且不受干擾。他們立刻向高鴻鈞和丁洪兩位老師匯報了結果，老師們當即表示，這就是馬約拉納束縛態(tài)。

然而，他們并沒有止步于此，科學家對于“純”的追求永無止境。在導師的指導下，他們利用更高分辨率的He-3極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡完善數(shù)據(jù)。

“我們必須要快。”范朋說。因為，國內外還有很多個團隊也在同時開展相關研究。

那是一段艱辛時光。王東飛、范朋、孔令元早上9點開始工作，時常在深夜12點甚至更晚才回宿舍或回家。而遇到關鍵時期——數(shù)據(jù)采集時，需要操作人員不間斷地觀察，每隔幾分鐘就需要分析一次數(shù)據(jù)，并及時調整測量參數(shù)，為了盡快拿到高質量結果，范朋與王東飛，以及孔令元3人輪班通宵，每個晚上2人一起結伴操作。而每找到一個好樣品就要排一次班，每次持續(xù)2~3周的時間。

那也是一段充滿成就感的時光，對他們來說，當看到數(shù)據(jù)一點點逼近理想值，所有辛苦早已煙消云散。

“傳幫帶”打造最強團隊

包括這次首次在超導塊體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納任意子，高鴻鈞團隊在凝聚態(tài)物理及其應用領域創(chuàng)造了許多個“首次”和“第一”。

他們提出了基于單晶表面外延的高質量、大面積的石墨烯生長技術，在國際上率先實現(xiàn)了在Ru(0001)表面獲得缺陷可控、1個厘米大小的、連續(xù)的單晶石墨烯；首次成功構筑了新型二維過渡金屬單硫化物——單層硒化銅；在國際上首次實現(xiàn)單個自旋量子態(tài)的可逆操控及其在超高密度量子信息存儲中的原理性應用；在國際上首次實現(xiàn)了朗德g因子原子尺度的空間分辨……

優(yōu)秀成績的取得，離不開一個好的團隊成長機制，高鴻鈞有自己的“帶團”秘訣，而這個方法，能讓每一位科研“新手”迅速成長。

2015年夏天，結束了研究生一年級的課程學習，范朋回到課題組后，導師并沒有給他安排一個固定的研究方向，而是先跟著王東飛學做科研的“手藝”。剛開始的那兩年，范朋參與了課題組里許多方向的研究，包括硫化鉬、石墨烯納米帶、鐵碲硒單晶……這些雖然都是納米尺度的表征研究，但不同方向卻有“很大差別”。

不聚焦在一個方向如何做深呢？有利于個人成長嗎？

“凝聚態(tài)物理是與實際應用聯(lián)系較為緊密的物理科學，研究熱點會隨著時間而變化，個人具體研究的內容也會隨著熱點而變。”范朋講述著他的感悟。在找到自己感興趣的研究方向之前，更多需要學習的是做科研的技能，從實驗儀器怎么組裝、實驗器材如何買，到不同研究內容的文獻調研、相關軟件等“全套的”科研流程都需要了解一番，“只要跟科研工作有關的，都需要跟著老師和師兄們學一學，老師、師兄的師兄也會幫忙‘帶’。”

在王東飛看來，“傳幫帶”是一個很好的模式，而在他們團隊也早已成為一個傳統(tǒng)。

“導師密切關注本領域最重要的發(fā)展前沿。導師設計和研制國際頂尖的儀器裝備，然后帶領團隊開展強力攻關。”“剛進入科研領域，我們可能并不知道對哪個方向感興趣，只有多學多看才知道自己想要什么，接觸不同研究的過程也是尋找自己興趣點的過程。”

王東飛說，通過初期的科研訓練和對相關課題及研究方向的大致了解，學生會大致了解自己感興趣的方向及自身的優(yōu)勢和劣勢。有時導師還會幫助學生作分析，為學生作選擇提供建議。“導師的學術視野非常廣。”

“每周，同一個研究方向的成員都會開小組會，導師們聽我們匯報最新進展，幫助我們解決遇到的問題。”范朋說。

此外，每周六上午，課題組都會召開文獻報告，每位成員都需要用英語講演某個方向的綜述，或者是一項最前沿的科研進展。

除了“傳幫帶”和組內的交流討論，廣泛而密切的國際合作、鼓勵學生與國際頂尖學術大咖對話，也是團隊得以快速成長的又一秘訣。

來自美國、英國、德國等該領域國際頂尖科學家與課題組建立了或長期或短期的合作關系，每個季度，他們會來到物理所作報告，與學生就實驗問題和成果進行交流討論。

目前，范朋正在寫作一篇關于TMD二維材料研究的研究論文，初稿已經(jīng)完成，但他在與一位外籍科學家交流時，發(fā)現(xiàn)自己的論文有點“平鋪直敘”，并沒有突出工作亮點，在外籍科學家的指導下，他學到了如何在論文寫作中突出研究亮點、理清邏輯思維，以及表達得簡潔明了。“科研最終是要在國際舞臺上展示的。實驗做出來后，如何用英文匯報自己的學術成果，讓別人聽得懂、理解到研究亮點并接受，這很重要，也非常具有挑戰(zhàn)性。”范朋說，

有時候，成長或許只在高手的一兩句點睛言語之間。

從高鴻鈞團隊走出來的博士畢業(yè)生中，目前有3位在美國的著名大學做教授、一位在新加坡的著名大學做教授，有10多位在國內的著名大學和研究所做教授和研究員，如：中國人民大學、武漢大學、北京理工大學、西安交通大學和中國科技大學等，還有幾位留在物理所工作。

“馬約拉納費米子的發(fā)現(xiàn)只是萬里長征邁出的第一步，它的特性還需要探索研究。”今年2月，王東飛到德國漢堡大學應用物理與跨學科納米科學中心研究所做博士后，繼續(xù)著馬約拉納費米子的研究。

而對于即將結束博士生涯的范朋來說，也早已找到了自己的研究興趣。未來，他希望走向更高的國際舞臺，繼續(xù)從事他所熱愛的科研事業(yè)。