7月21日， Science上发表了一项重大成果：科学家宣布在凝聚态体系中发现了手性Majorana费米子的存在。这一发现，验证了由意大利理论物理学家Ettore Majorana在80年前提出的预测——存在一类其反粒子为其自身的费米子。这将对现在的量子理论带来巨大的改变。
该科研团队由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组、斯坦福大学张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等组成。张首晟教授将这一新发现称为“天使粒子”，因为对于基础物理界来说，这或将开启一个新的时代。
80年漫长的寻觅
1928年，英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）从理念上预言了正电子的存在。1932年，美国物理学家安德森在研究宇宙射线时，无意间发现了正电子。从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。
但是，在1937年，也就是距今整整80年前，意大利理论物理学家Ettore Majorana做出一个大胆的理论预测：存在一类粒子，其反粒子为其自身。这个粒子被后来的物理学界称为Majorana费米子，并和希格斯波色子、引力子、磁单极子等一起构成物理学界苦心寻觅的神秘粒子。
意大利理论物理学家 Ettore Majorana
从那开始，寻找这一神奇粒子也就成了物理学领域中研究工作的崇高目标。
粒子物理和凝聚态物理是物理学的两大分支。此前粒子物理学家曾认为中微子可能是Majorana费米子，而且这一猜测有可能被“无中微子双beta衰变”实验所验证。但目前国际上多个开展“无中微子双beta衰变”实验的研究组都尚未发现这一衰变现象，中微子是否Majorana费米子的问题尚悬而未决。
而在张首晟教授研究的凝聚态物理中，Majorana费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。2010年到2015年之间，张首晟与其团队连续发表三篇论文，精准预言了在哪里能够找到Majorana费米子，继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。
建立在量子反常霍尔效应基础上的成果
张首晟的团队预言手性Majorana费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的异质结构中。
张首晟团队搜寻手性Majorana费米子的实验平台
在以往的量子反常霍尔效应实验中，随着调节外磁场，反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台，对应着1，0，-1倍基本电阻单位e2/h。也就是说，量子世界里的电阻是量子化的，它只能整数倍地跳台阶。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时，临近效应使之能够实现手性Majorana 费米子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应½倍基本电阻单位e2/h。
在后续的实验验证中，激动人心的成果出现了：王康隆等实验团队看到了“1/2的台阶”。 这半个基本电阻在某种意义上可以视为半个传统粒子，因此，多出来的半整数量子平台为手性Majorana费米子的存在提供了有力的印证。
实验中出现的分数量子霍尔电导平台
根据这一理论预言，来自UCLA（由何庆林、王康隆教授领导）和UC Irvine（由夏晶教授领导）的两个实验团队与张首晟教授的理论团队紧密合作，在实验上观测到了“1/2分数量子霍尔电导平台”，发现了手性Majorana费米子。
基础物理与应用的“双突破”
张首晟教授表示，天使粒子最重要的意义是改变了基础物理，因为它改变了人们一直认知的正反对立的世界观。天使粒子的发现，也是建立在量子反常霍尔效应以及拓扑绝缘体的基础上。不仅如此，不同于其他基本科学从发现到技术应用往往需要多年时间，天使粒子已经可以看到其实际应用的前景。
一个量子比特的信息非常难以存储，微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。但Majorana费米子没有反粒子，或者说相当于半个传统粒子，便提供了一种绝妙的可能性：一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的Majorana费米子上。
如此一来，传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个Majorana费米子，进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统的存储方式，比如电子自旋，超导磁通和光子极化，这样存储在远离的两个Majorana费米子上的拓扑量子比特，本质上极其稳固。
也就是说，Majorana费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机，使得有效的量子计算成为可能。张首晟表示，原先大家已经认为量子是最小的单位，而天使粒子使得一个量子单位可以拆为两半，让量子变得更稳定。
现在，这项科学已经可以开始应用。“谷歌和微软已经提供了支持，未来，在国内也会开始进行应用。”张首晟说。
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