馬約拉納費米子（英語：Majorana fermion）是一種費米子，它的反粒子就是它本身，1937年，埃託雷·馬約拉納發表論文假想這種粒子存在，因此以他的名字命名。與之相異，狄拉克費米子，指的是反粒子與自身不同的費米子。

　　除了中微子以外，所有標準模型的費米子的物理行為在低能量狀況與狄拉克費米子雷同（在電弱對稱性破壞後），但是中微子的本質尚未確定，中微子可能是狄拉克費米子或馬約拉納費米子。

　　在凝聚態物理學裡，馬約拉納費米子以準粒子激發的形式存在於超導體裡，它可以用來形成具有非阿貝爾統計的馬約拉納束縛態。

　　那麼什麼是準粒子？就是大家必須要知道的。準粒子的概念是這樣的：在物理學中，準粒子或稱集體激發是一種發生在微觀複雜系統的突現現象。

　　例如固態系統中會好像存在著另一種虛擬的粒子。以電子在半導體中的運動為例，電子在運動過程中受到來自原子核以及其它電子的作用，然而其行為可以視作帶有不同質量的自由電子。

　　這個帶有不同質量的“電子”稱為“準電子”。另外一個例項是在半導體的價帶集體行進的電子，其行為可以視作半導體中存在著帶正電的空穴往反方向執行。其它的準粒子包括聲子（來自固態系統中原子的振動）、等離子體（來自等離子體的振盪）等許多種類。

　　作為少數簡化多體問題的手段之一，準粒子的概念在凝態物理尤其重要。

　　不知道大家看了簡介理解了沒有？準粒子或稱集體激發是一種發生在微觀複雜系統的突現現象。你怎麼理解這句話？

　　可以這樣理解，就是為了解釋在微觀系統中出現的一些突顯現象，物理學家假設這是有一種粒子造成的，就把這種粒子稱為準粒子，或者叫集體激發。這樣大家應該可以理解。

　　事實上，造成這樣的現象是不是粒子行為或集體自微擾，還不確定。也就是說準粒子不一定是真實的粒子。也可能是真實粒子，就像上面介紹中說的，中微子可能就是馬約拉納費米子。

　　但大多數準粒子的描述，是為了簡化系統，簡化計算，才提出的。有點像我在前面章節中介紹的虛粒子的概念。但還是有不同。畢竟準粒子是直接對接實驗現象的。而虛粒子就不一定了，可能是單純的為了迎合理論而設定的。

　　還是再給大家舉一個例子。電荷這個詞大家都熟悉，初中就知道了。我麼我問大家：“點電荷是真實粒子嗎？”

　　答案是否定的，點電荷不是真實粒子。因為電荷是一種物質的性質，它本身不是粒子。電荷是許多次原子粒子所擁有的一種基本守恆性質。我們稱帶有電荷的粒子為“帶電粒子”。所以點電荷是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷並不存在。這和上面提到的準粒子是一樣的概念。

　　然後我們來了解一下這個粒子的相關歷史吧。這一概念由馬約拉納於1937年提出的，他對狄拉克方程改寫得到了馬約拉納方程，可以描述中性自旋1/2粒子，因而滿足這一方程的粒子為反粒子是自身。

　　馬約拉納費米子與狄拉克費米子之間的區別可以用二次量子化的產生及湮沒算符表示。

　　埃託雷·馬約拉納出生在位於西西里島的卡塔尼亞，自小便擁有極高的數學天分。他在非常年輕的時候就加入了恩里科·費米在羅馬大學的研究團隊，成為“Via Panisperna boys”的一員。這個綽號來自其實驗室所在的地址。

　　在1923年剛進大學時，馬約拉納讀的是工程學。1928年，在埃米利奧·吉諾·塞格雷的建議下轉到物理領域。

　　1932年，他發表了一篇論文，研究在隨時間變化的磁場下的原子光譜。伊西多·拉比以及其他人同時也在研究這個問題。而這個問題也開啟了原子物理理重要的新分支——無線電磁波頻譜。

　　同一年，馬約拉納寫了另一篇文章探討相對論性的粒子。在這篇文章裡，為了允許帶任意動量的粒子，他發展並應用了洛倫茲群的無窮多維表示，並且寫下了有關基本粒子質量的理論基礎。就如同馬約拉納大部分以義大利文寫作的文章一樣，這篇文章幾十年來並沒有受到廣大的注意。

　　1933年初，馬約拉納離開義大利。他到了德國。他到了萊比錫，跟海森堡合作研究原子核的理論。他後來亦曾到哥本哈根跟玻爾合作。同年秋天，馬約拉納回到羅馬。他在德國患上了胃炎，健康十分惡劣。他得要嚴格控制飲食，使得他脾氣變得十分暴躁，對家人冷酷。他在學院出現的時候越來越少，大部分時間都留在家中，像個隱士一樣，與朋友不相往來，亦不發表文章。

　　這段期間，除了研究原子物理之外，他寫了很多在其他範疇的文章，有地球物理學、電機工程、數學、相對論等。

　　1937年，他得到那不勒斯大學的教授教職。當時的義大利物理界對馬約拉納的評價甚高，大學部門破格不需要馬約拉納透過考試便聘用了他。幾個月後，他突然失蹤了。

　　那時他到巴勒莫旅行。有人猜測是他想到那裡探望當年鼓勵他攻讀物理的塞格雷。不過，當時塞格雷卻在美國加州，因為塞格雷是猶太人，1938年的義大利墨索里尼政府容不下他。

　　馬約拉納是由巴勒莫回航到那不勒斯時失蹤的，人們找不到他的屍體。在乘船到巴勒莫幾日之前，他曾在銀行戶口取出大量金錢。

　　這就是這位提出馬約拉納費米子的人物的簡介。就像馬約拉納費米子一樣，他的失蹤也像謎一樣。我們不去猜測他遭到了不測。因為任何猜測都已經過時。過時不候，這就是生命！

　　那麼他提出這個粒子，就有人思考這個粒子存在嗎？就像希格斯提出希格斯粒子，就有人在做實驗去證實，到底存不存在？結果在2013年發想，希格斯粒子是存在的。引起了震動，被認為劃時代的發現。

“尋找馬約拉納費米子的過程就是不斷突破、不斷創新的過程。理論預言，在拓撲絕緣體上面放置超導材料就能實現拓撲超導。這件事情聽起來容易，但卻在材料科學領域是一大難題。而且，由於在上方的超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被探測到。”賈金鋒說，在大量實驗基礎上，他們沒有按照大多數人通常的思路往下走，而是反其道而行之。最終，把超導材料放在了下面，使它上方“生長”出了拓撲絕緣體薄膜，讓拓撲絕緣體薄膜的表面變成拓撲超導體，直接把喜歡捉迷藏的馬約拉納費米子從“暗處”翻到了“明面”上，觀察起來更方便了，為尋找馬約拉納費米子奠定了重要的材料基礎。

在馬約拉納費米子研究的最初階段，沒人知道這種神秘的粒子會以什麼形式出現，賈金鋒團隊的研究人員所能做的只是仔細搜尋拓撲超導體上的所有蛛絲馬跡。雖然他們陸續找到了一些這種粒子存在的跡象，但一直不能最終確定這些跡象就一定代表馬約拉納費米子的本徵特性。

2014年底，一篇理論文章預言了馬約拉納費米子的磁學性質，他立刻敏銳地意識到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡來探測馬約拉納費米子。“地球有南極和北極，同樣，在磁性材料表面的不同位置處也有‘南’與‘北’，這就是材料的磁學性質。自旋極化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個‘原子指南針’，能夠準確地探測一個原子的磁性特徵，幫助我們找到隱藏在拓撲超導體渦旋中的的馬約拉納費米子。”

然而，馬約拉納費米子的磁性非常弱，要探測到它需要有更加靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡。目前，上海交通大學研究團隊擁有的儀器還達不到所需要的低溫（40mK，比絕對零度只高0.04K）。怎麼辦？他們一方面積極為實驗進行準備，摸索樣品生長條件，準備磁性針尖等。另一方面，他們四處聯絡，尋找有條件的單位。結果很幸運，在微結構科學與技術2011協同創新中心內，發現南京大學剛剛建設一臺40mK的掃描隧道顯微鏡系統，可以為該實驗提供了一個充分的實驗條件。

隨後，團隊研究人員按照預先設計好的方案，用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在“人造拓撲超導薄膜”表面的渦旋中心進行了仔細測量。2015年底，賈金鋒團隊及其合作者終於直接觀察到了馬約拉納費米子存在的有力證據。“在實驗中，我們觀察到了由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流, 這是馬約拉納費米子存在的確定性證據。”

此後，他們又很快與協同創新中心的另外一個成員單位浙江大學合作，進行理論計算等。在2016年初，研究團隊發現理論計算的結果完全支援實驗觀測到的結果。透過反覆對比實驗，發現只有馬約拉納費米子才能產生這種自旋極化電流的現象。至此，馬約拉納費米子的神秘面紗終於被揭開，賈金鋒表示，這是他們的實驗首次觀測到馬約拉納費米子的自旋相關性質, 同時也提供了一種用相互作用調控馬約拉納費米子存在的有效方法，還為觀察神秘的馬約拉納費米子提供了一個直接測量的辦法。

或在拓撲量子計算領域大展身手

找到馬約拉納費米子意味著什麼？意味著人類在量子物理學領域取得了一個重大突破，同時也意味著在固體中實現拓撲量子計算成為可能。這個發現或將引發新一輪電子技術的革命，使人類進入拓撲量子計算的時代。

與普通計算機透過二進位制方式處理資料不同，量子計算機是一種基於量子物理機理處理資料的計算機。它對資料的處理速度驚人，如果把量子計算機比作飛機的話，那麼普通計算機只能算是腳踏車。使用普通計算機需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題，在量子計算機看來是小菜一碟。

以天氣預報為例，由於現有技術的侷限，現在人們對天氣的預測不可能達到每次都非常準確。如果使用量子計算機來計算天氣資料，不僅能瞬間運算海量資料，預測的準確性也會大大提高。當然，精確地預測天氣對於量子計算機來說還不算什麼，它能對海量已經合成的新材料，甚至還能對未合成的概念材料進行系統、精確、高效地計算，為材料科學領域帶來革命性的進步。而科學家們預期馬約拉納費米子就是製造量子計算機的完美選擇之一。

迄今為止，人類還沒有製造出真正意義上的量子計算機，其中一個很重要的原因是，目前用於量子計算的粒子的量子態並不穩定，電磁干擾或物理干擾可以輕鬆打亂它們本應進行的計算。而馬約拉納費米子的反粒子就是自己本身，它的狀態非常穩定。這些屬性或許使量子計算機的製造變成現實的一個關鍵，也意味著在固體中實現拓撲量子計算成為可能，這將可能引發新一輪電子技術革命，從而幫助人類敲開拓撲量子計算時代的大門。量子計算機和傳統計算機相比，不僅計算速度更快， 而且能耗更低。