如何評價中文媒體宣稱「張首晟團隊發現天使粒子」？這項工作的實際成果和意義是什麼？

01-08

Science 雜誌 7 月 21 日報道由 UCLA Qinglin He 實驗團隊主導，加州大學洛杉磯分校、上海科技大學、斯坦福大學和阿卜杜拉齊茲國王科技城團隊合作完成的工作《量子反常霍爾絕緣體—超導體結構中的手性 Majorana 費米子模式》
Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure
而博客園報道：
對話華裔科學家張首晟：天使粒子的發現將從根本上改變數子物理_IT新聞_博客園

根據美國華裔科學家、斯坦福大學物理系、電子工程系和應用物理系終身教授張首晟及其團隊的介紹，其已證明在時空中傳播的手性 Majorana 費米子的存在，這一重大發現已發表在最新一期的科學雜誌上。

引力波從提出猜想到最終被發現歷經一百年，而 Majorana 費米子從 1937 年被義大利理論物理學家 EttoreMajorana 提出猜測到今日也已整整過去八十年。
手性 Majorana 費米子的發現為持續了整整 80 年對這一神秘粒子的搜索畫上了圓滿的句號。類比 Dan Brown 描述正反粒子湮滅爆炸的小說《天使與魔鬼》，張首晟提出這一新發現的手性 Majorana 費米子應該稱為天使粒子：我們發現了一個完美的世界，那裡只有天使，沒有魔鬼。

這項工作的實際成果和意義是什麼？此中文媒體的報道是否有偏頗？

相關：文章共同一作

具體一些吧，這篇文章是UCLA Kang Wang"s lab和包括張老師在內的多個課題組通力合作多年的結果，光是和審稿人的你來我往就持續了一年之久。不管是做實驗還是做理論的所有作者都付出了很多心血。但就目前看到的大部分國內報道並不是很注意credit的問題。

但不管如何，吸引更多的目光和注意到凝聚態物理上來肯定是好事。

目前細節最多的一篇解讀在這裡：

「馬約拉納費米子」被發現？論文作者和凝聚態物理學家們沒這麼說

我和慶林以及很多其他學者對大家關心的問題做出了一些解答。

這篇文章理論最早來源於祁曉亮的文章[1]，利用超導近鄰可以實現chiral topological superconductor，不過這只是一個很抽象的理論模型。之後王靖又用比較具體的模型，量子反常霍爾效應與超導近鄰，計算了整個體系的相圖和輸運性質[2]。這個問題中提到的文章[3]就是UCLA的Kang L. Wang組實現了理論上的預言，利用超導的Nb薄膜與QAHE耦合來觀察chiral Majorana states。可以看到文章中的數據基本與理論預言一致，所以他們宣稱觀測到了chiral Majorana fermion modes。

怎麼評價就要夾帶一些私貨了。其實超導近鄰效應是一個相當subtle的問題，因為其相關的現象可以很多，超導近鄰效應究竟有多強也是理論上幾乎無法給出的（與樣品的界面，載流子等等很多因素都有關係）。而文章中唯一的證據就是其 $0.5e^2/h$ 的平台，只能說這是一個比較明顯的特徵，而並不能斷定Majorana就是其唯一可能的解釋。就像Kouwenhoven與Yazdani的實驗一樣，大家都是會有一些不同的理解的，這也需要進一步的實驗來澄清這些問題。我個人還是傾向於相信這個確實是Majorana的。

當然現在的凝聚態實驗文章多數也都是如此，If it looks like a duck, swims like a duck, and quacks like a duck, then it probably is a duck. 自然科學也是永遠無法證明一件事就是真的。不過在下結論之前，還是要找到足夠多足夠強的證據吧。現在的期刊總是偏向於搞個大新聞，導致不少有錯誤或者疑似有誤的文章發表，並不是一件好事。這只是我最近讀文章的感受，並不針對這篇文章，而是很普遍的現象。

Ref:

[1] Xiao-Liang Qi, Taylor L. Hughes, and Shou-Cheng Zhang. Chiral topological superconductor from the quantum Hall state. Phys. Rev. B 82, 184516 (2010).

[2] Jing Wang, Quan Zhou, Biao Lian, and Shou-Cheng Zhang.Chiral topological superconductor and half-integer conductance plateau from quantum anomalous Hall plateau transition. Phys. Rev. B 92, 064520 (2015).

[3] Qing Lin He et al. Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure. Science 357, 294-299 (2017).

繼續拋磚引玉啊……下面是磚：

個人感覺啊，任何不談其伊辛任意子特性而用其他間接證據單方面宣稱找到Majorana都是不（shua)道(liu)德(mang)的……

這也許是為什麼之前普林斯頓組那麼漂亮的stm驗證鐵原子鏈邊界零能模實驗，和西南某高校同樣精彩的用spin polarized stm測量渦旋束縛態中Majorana自旋實驗，都不能一錘定音的一方面原因吧……

這個工作更精確的描述似乎是找到了chiral topological superconductor的陳數為1的情況。當然這也是很厲害的工作啦！但這裡發現的這種手性Majorana是在邊緣上的delocalized態。而能用來做拓撲量子計算的Majorana必須要是一個localized的准粒子激發才行，比如像納米線體系的端點或在拓撲超導的vortex中心束縛住的Majorana束縛態才是在拓撲量子計算角度比較有意義的。

當然了，發現了chiral tsc也就意味著它的渦旋束縛態是可以綁定Majorana束縛態的。但是如果要實驗驗證這種束縛態真的是Majorana，似乎還需要來設計braiding這樣的驗證其統計性質的實驗才能真正一錘定音吧……

畢竟，我們的終極目標不就是用Majorana這樣的任意子，作為打開任何密碼箱的任意門嘛^_^

嗯為了和一作合個影強答一發好了（霧

第一次聽到這個工作是今年寒假在清華的論壇上，張守晟講的。當時聽的似懂非懂看著數據覺得好像是挺有道理，然後身邊的WSX大神表示這個去年就掛arxiv了還沒發出來...而且聽說直到前幾天老張來量材講報告的狀態還是Science submitted...發出來也是挺不容易的。

arxiv：[1606.05712] Chiral Majorana edge state in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure

比較一下可以看到最後多了Fig. 4以及相關說明，算是1/2平台之外，排除了其他trivial可能性的支持性證據。可以想像最後審稿人還是被說服了？

嗯其實不是太懂拓撲超導，Majorana啥的orz，簡單說幾句自己知道的吧。沒興趣的可以跳到最後閑話部分。

首先如作者自己所說，這項工作研究的還算不上Majorana Fermion，只是1D的chiral Majorana mode。此前關於Majorana的所謂零偏壓電導峰則是0D體系里，tunneling實驗的證據（也不能算決定性證據）

這裡的主要問題在於在chiral的edge里引入particle-hole symmetry（也就是超導？感覺理論上引入超導的proximity effect就是直接寫BdG的Hamiltonian...）。因為Majorana既然是自己的反粒子，也算是有particle-hole symmetry的。

然而chiral的edge是要打破時間反演對稱性的，比如quantum Hall effect里的磁場...而我們有知道磁場是要懟超導的...這就矛盾了。而quantum anomalous Hall effect的好處就在於時間反演對稱性由磁性原子的摻雜來實現，即用交換場代替外加磁場。這樣往QAHE里加superconductivity就不會遇到磁場太強超導直接跪了的情況，畢竟QAHI幾個Qlayer,總共也就幾個nm的厚度。

另外一個自己不太確定的是，文章中提到的拓撲超導（TSC）應該是來自s-wave超導的Nb和QAHI的界面。而TSC從N=2到N=1的相變就不太明白了，這裡好像涉及到QAHI上下兩個surface state的hybridization,文章中提到因為上下surface不對成導致反演對稱性被破壞，所以有了N=1的phase...實驗汪一臉懵逼...

說說數據。首先po出來的數據估計是n多樣品中最好看的了...但是1/2平台看起來還是不太好看...大概是(F)QHE領域的數據看多了，現在看這些平台都覺得「好醜」（霧

不過升溫可以看到平台逐漸消失被smooth掉，這算是一個證據了。

然後就是後面追加的數據，排除了磁場過大TSC直接被打回normal metal的可能性。三端的conductance在相變的時候會跳到一個量子電導個人覺得也是相當有利的證據。但不管怎麼說自己對理論解釋還是門外漢，抱一點存疑態度總沒錯...

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最後扯幾句閑話。大概是老張此前被媒體報道的比較多，題目中的新聞通報基本圍繞張實在有點不厚道。首先這是一篇實驗工作的文章，還是好幾個實驗室合作完成的。（國內的新聞工作者）把理論合作者拎出來吹一通幾乎不提實驗工作者的貢獻有點讓人汗顏。

重大突破！華人科學家領銜團隊找到「天使粒子」

即使是人民日報的報道，基本上也是以張為中心orz。雖然個人覺得這個工作理論的提出及預言的確是更加具有開創意義的，不過也不能把實驗看作是「只要做了就會實現」的東西啊...QAHE本身實現就已經很難了，再加Nb proximity effect的fabrication閉著眼睛都覺得會有一堆bug...還是不要想當然的好，不然這麼簡單也不會發nature了...突然想到了LIGO發現引力波，雖然兩者其實不太具有可比性，不過就算老愛再牛，也得靠實驗驗證的東西拿諾獎是不是（他在世的時候只有光電效應一個牌...）

另外一個更大的問題是，科學研究的通報跟網易新聞一樣追求吸引眼球。已經被中國科學家+量子計算的combo刷屏刷累了，然後突然跳出一個「天使粒子」...這真的是老張原話嗎...然後這就算了，很多有意無意的歪曲概念，非得搞個大新聞...吃瓜群眾表示還是默默看戲吧，說句私貨，拓撲量子計算什麼的我是不指望在有生之年看到了...

（PS: 突然又想起中心某理論老師合作發了一篇science然後親自寫了新聞稿子還是逃不了被往誇張了改的命運...）

以上...姿勢水平不太夠，要是有說錯什麼請務必指出來。

去查了一下文章的摘要.......

Abstract

Majorana fermion is a hypothetical particle that is its own antiparticle. We report transport measurements that suggest the existence of one-dimensional chiral Majorana fermion modes in the hybrid system of a quantum anomalous Hall insulator thin film coupled with a superconductor. As the external magnetic field is swept, half-integer quantized conductance plateaus are observed at the locations of magnetization reversals, giving a distinct signature of the Majorana fermion modes. This transport signature is reproducible over many magnetic field sweeps and appears at different temperatures. This finding may open up an avenue to control Majorana fermions for implementing robust topological quantum computing.

Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure

媒體報道能不能準確點？害得我白高興了一場。

「手性 Majorana 費米子的發現為持續了整整 80 年對這一神秘粒子的搜索畫上了圓滿的句號。」

句號你妹。又不是基本粒子。大概算是稍微推進了一點拓撲量子計算的實驗實現可能性吧。

順便吐槽又是哪個逗逼造的名字...今天之前我從未聽說過馬約拉納粒子還有天使粒子這個別稱。還有說是張首晟團隊發現的好像也不太好吧，不能張首晟比較有名就什麼都往他身上靠啊，一個實驗工作怎麼變成了張首晟這個理論物理學家的團隊發現的了。

找了八十多年的是ββ0ν事件之類的東西，以證明中微子是馬約拉納費米子。在別的領域搞出來馬約拉納費米子（有關的東西）雖然應該更有（實際）意義，但並不是什麼大新聞。

1，此次宣布發現的「馬約拉納費米子」並不是真正的粒子（更不是某些報道中所謂的基本粒子），而是「准粒子」，是作為固態系統中簡化多體問題的手段之一而引入的數學模型。常見的准粒子的例子還包括為了描述固態系統中原子震動的傳播而引入的「聲子」。

2，「馬約拉納費米子」在凝聚態領域還真是熱門，每隔幾年就會有人宣布發現了它（的某種態）。在知乎上搜一下就會發現以前的針對發現馬約拉納費米子的問題和答案。

3，真正的馬約拉納費米子還沒有被找到。目前科學家們普遍接受的候選粒子是中微子，但是研究仍然還在假設階段，最終的研究結果有可能會證實這個假設，但更有可能會證偽。

4，「天使粒子」就是在炒作一個概念，讓群眾聽起來感覺重要性跟發現在物理學中有深刻意義的「上帝粒子」（雖然也有炒作概念的嫌疑）接近，但是其實它在物理學上的意義遠遠沒有後者重要。

5，很多報道都有偏差，基本的物理概念都搞不清，就只想著搞個大新聞。

發現的是准粒子而非真空中的馬約拉納費米子吧。。。

再說，馬約拉納准粒子不是去年在上海交大發現了么？？？？黑人問號臉.png

如果哪天發現ββ0ν事件(例如SNO+實驗)，那就真的是需要沸騰了~ 輕子數守恆將被打破！

轉發一位教授的評論。

驗證性文章吧，理論是80年前的大犇提出來的，不過能提出有效的驗證實驗足夠厲害了，就如同MIT科學家找到了證明引力波的方法並實踐驗證了，這是足夠拿諾獎的（當然引力波的地位比這個粒子高的多）

看高票答案，合作作者都來答題了，只是驗證一個具有majorana particle性質的激發態，並不是媒體寫的那麼牛叉，好吧，不過也足夠厲害了

不過張本來就預訂了諾貝爾獎（from楊振寧），雖然16年的物理獎說明拓撲領域還想拿獎又得等著其他領域輪一遍（不知多少年後orz），這次會不會促使他提前拿到？畢竟現在炸藥獎越來越惡趣味，基本等同於終身成就獎，真等到獲獎人顫顫巍巍才去領獎，瑞典皇家科學院總是喜歡看這樣的場面？就等同於奧斯卡委員會特別喜歡給白髮蒼蒼的獎，然後所有人站起來眼含淚花使勁鼓掌，上面的老頭老奶奶還得做出感激萬分的表情，實際內心早就不知道問候了委員會多少次了。。。

張首晟不是做理論的嗎?為了拿諾貝爾獎轉行實驗了?

去年諾貝爾獎一公布，他拿諾獎的概率急劇下降。搞投資也拿不了諾獎，看來只能跟別人合作搞點實驗了。

不過我覺得這個實驗，他作為老闆，估計不曾在實驗室待過一天吧。

本來想看看這個粒子究竟是什麼東西，結果發現一地雞毛。。。

那位物理大神回答點實際問題吧：

有那個二分之一平台出現，說明超導肯定有東西吧，是不是說明超導，超流動性的本質不是以前說的電子對，而是這種有手性粒子的作用？

感覺這個有質量，看不見，無磁性又小於量子單位的半粒子，將來肯定很有用。

相似提問在另個地方答了一遍，才知這個地方才是樞紐。

首次閱讀白楊的報道，受限於白楊的介紹，當時就說出來1/2電阻平台的意義，當時我是這麼說的：

暫時只談發現1/2電阻平台的意義，不只我一人察覺這就是整數量子霍爾效應現象出現在了反常系列裡面。注意沒錯！1/2電阻現象反映的是整數量子霍爾效應。這裡的「電阻」是霍爾電阻。

隔天再來琢磨真相，發現有點兒詭異。論文所指1/2是電導不是電阻。瑪雅，電導和電阻互為倒數，概念差十萬八千里。事實大反轉，這是一個確切的類似於分數量子霍爾效應的實驗。分數量子霍爾效應總結出n/m（n屬於整數，m屬於奇數）電導。這次不同尋常在於m也出現偶數了。

不論怎樣，下面內容意見不變。

然後大談特談馬約拉納費米子。很高大上啊。

反正我是有如下簡單看法：

空穴和一個電子複合的准粒子不就是馬約拉那費米子么？

既然說理是向著潛在第三方公證人說，我就認真對著公證人陳述。

科學大牛自己親手做得實驗，證據都已經十分清楚了，就是沿承BCS學派只能瞎湊。

只要把超導當作是普通導體那樣自由電子導電而非庫珀對導電，這一實驗原理就異常地清晰。超導的介入確實對霍爾效應產生改變。然而注意，欲說「超導薄膜在電源驅動下並不給予電流，而是和絕緣襯底下的電極一起提供電場」是錯誤的，認真閱讀看到超導薄膜確實給予電流了。

1/2電導平台是超導層（或者說交界面）提供的，但這個實驗跟超導不超導無關，普通導體替代實驗中的超導一樣能進行實驗。

原理解釋：

不論是不是超導體，凡是均勻介質的導體，都能以介質邊界為波節形成載流子密度波的「駐波」。費米子都是行動兩周才能恢復原狀態。電子作為費米子，只能在均質介質中構造出1、3、5、7……奇數個波腹數。

這次張首晟團隊做出「反常」的電導階梯。出現了2這樣的偶數。那是因為超導薄膜和霍爾效應薄膜分別為不同介質。各有1個波腹，總共2個波腹。這個實驗實為「複雜」的分數量子霍爾效應。追究e^2/h，就等於追究了h/e^2，也等於追究了h/e。追究了量子化電導，等於追究了量子化電阻，等於追究了量子化磁通量。

因為超導薄膜提供了數量為1的波腹數，所以鐵的事實證明了，超導的載流子和普通導體的載流子一樣是自由電子，而不是庫珀對。教科書中，電子在超導環內走一圈變化2pi整數倍的相位差是不真實的。真實情況是，電子在超導環內走一圈變化pi的奇數倍相位差。

研究發現:天使粒子又分為大天使粒子、能天使粒子、墮天使粒子、熾天使粒子多種，可見我國在粒子命名上已處於世界前列。若能繼續發現死神粒子並加以控制，人類長生不老只是時間問題。

馬約拉納費米子（英語：Majoranafermion）的概念由埃托雷·馬約拉納於1937年提出，2017年7月，由4位華人科學家領銜的科研團隊終於找到了正反同體的「天使粒子」——馬約拉納費米子

這一發現，意味著量子計算已經成為可能，量子計算可以在瞬間完成很複雜的計算，這是其最重要的意義

大家如何看待這篇文章http://m.guancha.cn/wangmengyuan/2017_07_24_419613.shtml?from=timelineisappinstalled=0

媒體吹的有點大了……

理論上並不稀奇，我記得14年底張在arxiv上就貼過類似模型的文章(貌似是說QAH/TSC/QAH結的Andreev反射係數發生震蕩的文章，具體記不清了) ，而且arxiv上說自己構造了Majorana費米子的文章海了去了。

看了原文，是通過電導譜來識別Majorana零模，然而之前Das Sarma好多文章都是這個套路，這裡頂多就是再多吹點拓撲罷了，本質上也沒有太大亮點。

能發science我想是因為實驗，然而我不懂實驗就不評論了。

綜合看是個不錯的工作，但是媒體的過度解讀宣傳加上吃瓜腦殘的評論讓人很受不了…(攤手)

謝邀…剛玩知乎居然有人要我回答這個問題，感謝了。我自己並不做這個方向，所以貼一下今天早上其他老師的評價「張提到的這個事情，理論的預言是直接的，難點在於實驗實現。此外，該實驗僅證明majorana邊緣態存在這種邊緣態與moore-read態的邊態是類似的。個人認為這個事難點是實驗實現。基於這種majorana邊態進一步可以構造出點缺陷處的零能模，並檢驗其統計特徵是否是非阿貝爾統計。目前這實驗沒有走這麼遠」嗯。

本來這種太高深的事我也搞不懂，不過我還是想說一句，能不能冷靜一下，明確以後再說。ps：我彷彿看到了明天的朋友圈，愛國教育還有為祖國爭光的文章了

在微博上看到這個消息的，有沒有人可以給個准信…是不是真的啊

感覺自己經過上一次「××證明電子不存在」之後現在都不敢輕易相信微博上的媒體公號了…

偶爾看看知乎，想不到還會有人邀請我回答這個問題。張首晟這個名字是經常聽到的，只不過從來沒有專門去了解他的研究方向，原諒我現在不專門去了解任何一個人了（不管是什麼大牛）。當然，對科技的進展我們應當持積極、讚賞的態度！上午剛看到這條消息時，評論大都集中在張「華人」這個身份上，很令人意外！其實進了這一行才會發現，重大成就的進步遠比研究者身份更令人興奮。也或許是因為我是離得比較遠的吃瓜群眾吧～→_→