“你们有谁熟悉拓扑绝缘体这个理论？”——在热门美剧《生活大爆炸》第四季14集的一开始，鬼才物理科学家谢尔顿站在讲台上，向在座学生们提出了这样一个他自认难度系数颇高的问题。

这一集播出的当晚，“拓扑绝缘体”这一关键词被4000多万人关注，而提出“拓扑绝缘体”这一概念的正是享誉世界的前沿物理学家、斯坦福大学杰出华裔教授张首晟（Shoucheng Zhang）。

张首晟，美籍华裔物理学家，美国文理科学院院士、美国物理学会学士、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士。现任斯坦福大学物理系、电子工程系和应用物理系教授。

几年之后，张首晟再次感受到这种大众盛情。

在过去的24小时内，他成了华文媒体竞相报道的主角，“诺贝尔奖”、“惊世突破”，这些重磅概念被媒体一一加诸其身。硅谷当地时间7月20晚，笔者第一时间致电张首晟向他表示恭贺时，他坦言现在一切太过“overwhelming”。

这一切，源自7月20日发表在《科学》杂志上的一篇文章。在这篇文章中，作者们通过一系列实验，证实了手性（在多种学科中表示一种重要的对称特点）马约拉纳费米子（Majorana fermion）的存在。经过24小时的发酵后，不少人对于这一术语更为熟悉的说法为“天使粒子”。

不过，上述实验的主导者之一——加州大学洛杉矶分校（UCLA）电机工程系教授王康隆教授则认为，称呼它为“太极粒子”似乎更为恰当。在王教授看来，太极——这种中华文化的特殊元素能更为形象地传达马约拉纳费米子正反合一的特殊属性。

不论是“天使粒子”还是“太极粒子”，捕捉到马约拉纳费米子对于物理学史来说，都是一项具有里程碑意义的重大发现。今天上午，王康隆教授接受了美国中文网的电话采访，分享了此次发现背后的故事，并解释了新发现的理论和应用价值。

王康隆，加州大学洛杉矶分校电机工程系教授

追捕神秘的“马约拉纳”

过去80年间，全球物理学界都在捕捉神秘的马约拉纳费米子，这场漫长的捕捉活动源于意大利物理学家埃托雷．马约拉纳（Ettore Majorana）在1937年提出一个大胆假设。

在物理学领域，构成物质的最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质，也是组成各种各样物体的基础。基本粒子又分为两种：费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米（Enrico Fermi）和印度物理学家玻色（Satyendra Nath Bose）的名字命名。人类已知的所有基本物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料（电子、夸克、中微子），而传递作用力的粒子（光子、介子、胶子、W和Z玻色子）都是玻色子。

较早之前，英国物理学家保罗．迪拉克（Paul Dirac）的观点占据主导地位。他在1928年提出假想，认为宇宙的每个基本粒子，都有一个相对的反粒子，就像是一对双胞胎，但是带着正负能量，当它们相遇时会相互湮灭。几年后，物理学家确实发现了反物质，即和电子相对的正电子（Positron，又称反电子）。

埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana），意大利物理学家

这种观念在1937年出现颠覆。意大利物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，它们的反粒子就是它们自身，这种费米子被称为马约拉纳费米子。

在马约拉纳预言这种特殊费米子存在后近80年的时间里，全球科学家们从未停止过对于Majorana的追捕，但一直未果。过去20年，随着科学技术的迅猛发展，物理学界离这种神秘的费米子越来越近。在加州高校之外，包括普林斯顿等诸多全球知名学府也在坚持不懈地进行着各类实验，只不过，实验结果往往模棱两可，不太理想。

一篇文章 十年功夫

一年多以前，在加州大学洛杉矶分校的实验室内，马约拉纳费米子第一次闪现了迹象，实验数据落在量子系数的范围之内，完美得令实验室的科学家们不敢相信。

一次偶发性的实验结果不足为据，有意义的实验结果需要反复数十次的可重复性论证。一次又一次，数据完美重合。于是，在反复验证近30次后，实验组满怀信心地整理了实验报告，并在一年之前向《科学》杂志提交了论文初稿。

“第一次提交后，审稿人向我们提出，在马约拉纳费米子外另一种可能导致实验结果的可能性”，王教授告诉美国中文网：“随后，我们又经过不断地实验论证，排除了其它可能性。这样的来回有两三次，每一次都是长达30页的反馈报告。”

最新一期《科学》封面（上）及相关文章详情

直到2017年7月20日，这篇文章终于在《科学》上发表，文章总计20位署名作者，分别来自于8所高校和机构，其中主导者为加州大学洛杉矶分校的王康隆实验团队和斯坦福大学的张首晟理论团队。

事实上，从启动研究到文章发表，前后历时长达十多年。这其中，实验材料的甄选尤为重要。据王康隆教授介绍，整个实验组前前后后共计筛选了近4000种材料， 并在精益求精地不断优化之后，才最终让马约拉纳费米子切实现形。这其中，张首晟在2008年提出的“拓扑绝缘体”的指导意义很关键。

此次研究团队发现，在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体混合的结构中施加强度很低的磁场之后，会形成量子反常霍尔效应态与超导态共存的状态，此时在磁场交替反转的位置可以观测到手性拓扑超导序对应的半整数量子化电导，这种现象也是马约拉纳费米子模式的一个鲜明特征。

实验结果应用价值巨大

本次发现结束了物理学界长达80年对马约拉纳费米子的追踪，被广泛认为是继发现“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑。它不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值——让量子计算成为现实。

当前，计算速度已经接近饱和，量子计算又因为稳定性欠佳而进步受限，马约拉纳费米子分发现为计算机速度的再一次腾飞提供了可能性。“马约拉纳费米子在‘拓扑包裹’之下具有极高的稳定性”，王康隆教授向美国中文网解释称，“这一特性将使得计算机在计算量和复杂难度上实现质的飞跃。”

量子计算机局部

也正因如此，微软、IBM等知名IT巨头对于相关研究非常重视，且纷纷投入大量资金，争相占领量子计算领域的制高点。王康隆教授透露，目前的研究新方向粒子组合，以实现复杂计算。预计，当前发现将在可预见的未来逐渐走向商用。

重大突破背后的华人科学家群像

“他获诺贝尔奖只是早晚的事”，在马约拉纳费米子被捕捉到的消息被媒体曝光后，诺贝尔奖得主、华裔物理学家杨振宁在接受采访时，毫不吝啬地对曾经的学生张首晟予以嘉奖。

毫无疑问，张首晟是现今物理学界最受瞩目的华人科学家。1996年，年仅33岁的张首晟成为斯坦福大学教授。凭借拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应两项理论的发现，张首晟于2010年获得欧洲物理奖；2012年获得美国奥利弗巴克利奖和狄拉克奖；2014年获得美国富兰克林奖。如今，马约拉那费米子的发现，再次彰显了张首晟提出的理论基石的重要意义。

年轻时的张首晟（上图，左）与杨振宁

杨振宁与李政道（下图）

在杨振宁和李政道一同摘下诺贝尔奖之后，越来越多的华人科学家走上世界舞台。在7月20日发表于《科学》的这篇文章中，绝大多数主要贡献者均为华人。主要团队领先者中，张首晟来自中国上海，目前在任职斯坦福大学，同时受聘于清华大学。王康隆来自中国台湾地区，与中国大陆高校交流广泛。他的学生、论文首作何庆林来自中国广东，目前在UCLA担任博士后研究员。另一位署名学生寇煦丰则已经学成回国，加入了上海科技大学，担任助理教授。

“在加州，华人教授与学生都很多，这产生了聚集效应，并与来自中国以及全球的华人科学家们共同织成一张良性循环的网”，王康隆告诉美国中文网：“不同于杨振宁获奖的时代，现在中国经济实力和科研技术不断进步，科研经费也日渐充足。中国与美国在理论和应用科学方面的差距将逐渐缩小，我们将看到更多中国/华人科学家在世界科学史的舞台上做出重要贡献。”

与其说，张首晟个人获得诺奖“只是早晚”，不如说，华人科学家的集体闪耀“已经到来”。