探索凝聚態中的馬約拉納粒子專題編者按

年輕的意大利理論物理學家馬約拉納在1937年研究狄拉克方程時， 發現了一種奇異的粒子，其反粒子即其粒子本身. 這種奇異粒子被后人稱為馬約拉納粒子. 在已知的基本粒子世界， 除了中微子， 都不是馬約拉納粒子(Majorana)， 而中微子是否是馬約拉納粒子尚待實驗檢測. 最近以來， 探索馬約拉納粒子的熱點轉移到了凝聚態. 凝聚態體系由許多原子或電子、離子組成. 雖然構成體系的粒子本身不是馬約拉納粒子， 但其低能下演生的準粒子可以有全新的性質. 比如在Kitaev的一維超導鏈上， 一個電子可被分拆為束縛在鏈兩端的兩個馬約拉納粒子， 稱為馬約拉納零能模. 又比如，張首晟和他合作者在理論上闡示的， 在一定條件下量子反常霍爾效應的狄拉克手征邊界態可以一分為二， 實現在空間分離的兩個手征馬約拉納粒子邊界態. 凝聚態中發現馬約拉納粒子將對基礎物理有極其重要的意義， 類比于在分數量子霍爾效應發現三分之一的電荷及任意子的統計. 馬約拉納零能模具有非阿貝爾統計， 可以構成拓撲量子比特. 手征馬約拉納粒子可以設計實現電子態的非阿貝爾量子門操作. 它們均可用于組建拓撲量子計算機， 其應用前景十分可觀. 由于其在基礎物理上的重大意義及在量子計算的可能應用， 馬約拉納粒子已成為凝聚態研究的前沿課題. 在實驗方面， 目前在包括超導納米線、一維原子鏈， 以及拓撲超導渦旋中都有觀察到馬約拉納零能模的諸多證據.編織零能模顯示非阿貝爾統計的實驗尚待努力. 關于手征馬約拉納粒子的實驗， 最初的觀察報道至今尚未能重復， 爭議較大. 我相信， 理論預言的手征馬約拉納粒子會在合適的材料器件上發現. 分數量子霍爾效應中的任意子的分數統計自理論預言至最近的實驗證實經歷了三十幾年， 凝聚態中馬約拉納粒子的研究僅剛剛開始.

應《物理學報》編輯部的邀請， 我和丁洪邀請了部分活躍在研究馬約拉納粒子第一線的中青年科學家， 組織了本期的專題. 胡曉與其合作者詳細討論了拓撲超導機理， 并介紹了各種體系馬約拉納零能模及其新奇性質; 劉雄軍與其合作者綜述了馬約拉納零能模的統計性質及其在量子計算中的應用; 孔令元和丁洪詳細綜述了鐵基超導渦旋中觀察到的馬約拉納零能模及其性質; Yu-Shiba-Rusinov態是一維原子鏈中馬約拉納零能模的基礎， 李牮討論了基于Yu-Shiba-Rusinov態的拓撲超導的普遍理論; 王靖詳細介紹了他與張首晟等合作者研究的基于量子反常霍爾效應的手征馬約拉納粒子以及設計的量子計算門; 另一位受邀撰文的李耀義和賈金鋒綜述了在人工拓撲超導體渦旋中尋找馬約拉納零能模 (文章已提前在《物理學報》2019年第13期發表). 他們從不同的角度綜述了與凝聚態中馬約拉納粒子有關的理論或實驗， 反映了此領域的一些現狀， 希望對讀者了解此前沿課題有所幫助.