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自 20 世纪 30 年代以来，科学家们一直在寻找同时是物质和反物质的粒子。现在，物理学家在一个超导材料中发现了这种实体的有力证据。这项发现可能代表了第一个所谓的马约拉纳粒子，并可能帮助研究人员为量子计算机编码信息。
物理学家认为，每个物质粒子都有一个质量相等但电荷相反的反物质对应物。当物质与其反物质等效物相遇时，两者会相互湮灭。但根据意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在 1937 年的预测，一些粒子可能是它们自己的反物质伙伴。研究人员首次表示，他们已经拍摄到其中一个马约拉纳粒子的图像，并在 10 月 3 日的《科学》杂志上报告了他们的发现。
新的马约拉纳粒子出现在超导体内部，超导体是一种电子自由运动使电流无电阻流动的材料。由普林斯顿大学的阿里·亚兹达尼领导的研究小组，将一长串磁性的铁原子放在由铅制成的超导体之上。通常情况下，磁性会破坏超导体，因为超导体依靠缺乏磁场来使电子不受阻碍地流动。但在这种情况下，磁链变成了一种特殊的超导体，其中链中相邻的电子协调它们的自旋，同时满足磁性和超导性的要求。这些电子对中的每一对都可以被认为是电子和反电子，分别带有负电荷和正电荷。然而，这种排列方式使得链条的每一端都留下一个没有配对邻居的电子，导致它们具有电子和反电子的特性——换句话说，马约拉纳粒子。
与在真空中发现的、未连接到其他物质的粒子相反，这些马约拉纳粒子被称为“涌现粒子”。它们从周围物质的集体特性中涌现出来，并且不能在超导体之外存在。
荷兰代尔夫特理工大学的利奥·库文霍芬说，这项新研究显示了马约拉纳粒子的令人信服的迹象，他没有参与这项研究，但此前在不同的超导体排列中发现了马约拉纳粒子的迹象。“但要真正谈到充分的证据，明确的证据，我认为你必须进行 DNA 测试。”他说，这样的测试必须表明这些粒子不遵守自然界中已知的两类粒子的通常定律——费米子（质子、电子和我们熟悉的大多数其他粒子）和玻色子（光子和其他携带力的粒子，包括希格斯玻色子）。“关于马约拉纳粒子最棒的事情是，它们可能是一种新型粒子，”库文霍芬补充说。“如果你发现一类新的粒子，那真的会给物理学增加一个新的篇章。”
加州理工学院的物理学家杰森·艾丽莎也没有参与这项研究，他说这项研究为马约拉纳粒子提供了“令人信服的证据”，但“我们应该记住可能的替代解释——即使没有立即显而易见的候选者。”他赞扬了该实验装置，因为它显然能够轻松地产生难以捉摸的马约拉纳粒子。“他们的平台相对于早期工作的伟大优点之一是，它使研究人员能够应用一种新型显微镜来探测物理学的详细解剖结构。”
这一发现可能对在超导材料之外寻找自由马约拉纳粒子产生影响。许多物理学家怀疑中微子——具有改变其身份或味道的奇怪能力的非常轻的粒子——是马约拉纳粒子，并且正在进行实验以研究是否是这种情况。现在我们知道马约拉纳粒子可以存在于超导体内部，那么在自然界中发现它们可能就不足为奇了，亚兹达尼说。“一旦你发现这个概念是正确的，它很可能会出现在物理学的另一个层面。这才是令人兴奋的地方。”
这一发现对于构建量子计算机也可能有用，量子计算机利用量子力学的定律，使计算速度比传统计算机快许多倍。构建量子计算机的主要问题之一是量子特性（如纠缠，即两个粒子之间的连接，使得对一个粒子的作用会影响另一个粒子）由于外部干扰而容易崩溃。末端分别带有马约拉纳粒子的粒子链在某种程度上可以免受这种危险，因为必须同时破坏两端才能破坏在那里编码的任何信息。“你可以基于这些马约拉纳粒子构建一个量子比特，”亚兹达尼说。“这个想法是，这种比特比人们迄今为止尝试制造的比特类型对环境更具鲁棒性。”