Kirill Shtengel, The heat is on for Majorana fermions, Nature 559, 189-190 (2018),
https://www.nature.com/articles/d41586-018-05637-5

Majorana费米子是否存在是近代物理学一个非常重要的问题。最近,来自日本的研究者Kasahara等人和来自以色列和美国的研究者Banerjee等人分别独立地进一步发现了凝聚态系统中Majorana费米子存在的证据。相关成果发表在近期的Nature杂志上。

Majorana费米子在1937年由意大利物理学家Ettore Majorana所预言。与构成自然界各种物质的费米子不同,Majorana费米子的反粒子就是其自身。除了其在基础物理学中的重要位置,Majorana费米子近年来也被发现可用来进行量子计算。然而,由于实验难度的限制,Majorana费米子的存在一直没有在实际物理系统中被验证。

Kasahara等人和Banerjee等人 采取了不同的研究材料。Banerjee等人采取了能够发生量子霍尔效应的凝聚态系统,Kasahara等人则在存在名为Kitaev spin liquid相(phase)的材料上进行研究。

他们的研究手段则大致相同。Majorana费米子一重要性质便是它们无法导电却可以导热。而一般物理系统的导电性和导热性主要来源于其中的自由电子。事实上,固体理论一个重要的成果便是预言并量化了这一现象,即自由电子引起的导电性和导热性成正比(Wiedemann-Franz law)。这与Majorana费米子的性质发生分歧。

更详细地说,假设系统对其内部的电子与Majorana费米子没有散射,那么导电性和导热性会离散化并且其份数正比于电子或Majorana费米子的模式数。一个电子模式会贡献一个单位的热传导,然而,一个Majorana费米子模式只贡献二分之一个单位。这一分数关系既是两实验组验证Majorana费米子存在性的主要指标。

除此以外,这种Majorana”效应“强烈地预示着这些系统的拓扑序(topoloical order)是非阿贝尔的(non-Abelian)。这一性质在研究这些系统时非常重要。Kasahara等人的结果也是物理学家第一次实验发现非阿贝尔自旋液体存在的证据,Banerjee等人则选择了更难的路线,即分辨在非阿贝尔拓扑序不同的状态。也因此,Kasahara等人的实验系统温度只需降到5K,而Banerjee等人的实验系统温度需维持在20mK左右。

尽管如此,他们的观测也受到严重的限制。近期有研究宣称,在研究和观测这种分数效应中声子会产生关键的影响。因此,Majorana费米子的导热性仍需要更多理论和实验的研究。

参考文献:
Majorana, E. Nuovo Cimento 14, 171–184 (1937).
Banerjee, M. et al. Nature 559, 205–210 (2018).
Kasahara, Y. et al. Nature 559, 227–231 (2018).