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自 20 世紀 30 年代以來，科學家們一直在尋找同時是物質和反物質的粒子。現在，物理學家在一個超導材料中發現了這種實體的有力證據。這項發現可能代表了第一個所謂的馬約拉納粒子，並可能幫助研究人員為量子計算機編碼資訊。
物理學家認為，每個物質粒子都有一個質量相等但電荷相反的反物質對應物。當物質與其反物質等效物相遇時，兩者會相互湮滅。但根據義大利物理學家埃託雷·馬約拉納在 1937 年的預測，一些粒子可能是它們自己的反物質夥伴。研究人員首次表示，他們已經拍攝到其中一個馬約拉納粒子的影像，並在 10 月 3 日的《科學》雜誌上報告了他們的發現。
新的馬約拉納粒子出現在超導體內部，超導體是一種電子自由運動使電流無電阻流動的材料。由普林斯頓大學的阿里·亞茲達尼領導的研究小組，將一長串磁性的鐵原子放在由鉛製成的超導體之上。通常情況下，磁性會破壞超導體，因為超導體依靠缺乏磁場來使電子不受阻礙地流動。但在這種情況下，磁鏈變成了一種特殊的超導體，其中鏈中相鄰的電子協調它們的自旋，同時滿足磁性和超導性的要求。這些電子對中的每一對都可以被認為是電子和反電子，分別帶有負電荷和正電荷。然而，這種排列方式使得鏈條的每一端都留下一個沒有配對鄰居的電子，導致它們具有電子和反電子的特性——換句話說，馬約拉納粒子。
與在真空中發現的、未連線到其他物質的粒子相反，這些馬約拉納粒子被稱為“湧現粒子”。它們從周圍物質的集體特性中湧現出來，並且不能在超導體之外存在。
荷蘭代爾夫特理工大學的利奧·庫文霍芬說，這項新研究顯示了馬約拉納粒子的令人信服的跡象，他沒有參與這項研究，但此前在不同的超導體排列中發現了馬約拉納粒子的跡象。“但要真正談到充分的證據，明確的證據，我認為你必須進行 DNA 測試。”他說，這樣的測試必須表明這些粒子不遵守自然界中已知的兩類粒子的通常定律——費米子（質子、電子和我們熟悉的大多數其他粒子）和玻色子（光子和其他攜帶力的粒子，包括希格斯玻色子）。“關於馬約拉納粒子最棒的事情是，它們可能是一種新型粒子，”庫文霍芬補充說。“如果你發現一類新的粒子，那真的會給物理學增加一個新的篇章。”
加州理工學院的物理學家傑森·艾麗莎也沒有參與這項研究，他說這項研究為馬約拉納粒子提供了“令人信服的證據”，但“我們應該記住可能的替代解釋——即使沒有立即顯而易見的候選者。”他讚揚了該實驗裝置，因為它顯然能夠輕鬆地產生難以捉摸的馬約拉納粒子。“他們的平臺相對於早期工作的偉大優點之一是，它使研究人員能夠應用一種新型顯微鏡來探測物理學的詳細解剖結構。”
這一發現可能對在超導材料之外尋找自由馬約拉納粒子產生影響。許多物理學家懷疑中微子——具有改變其身份或味道的奇怪能力的非常輕的粒子——是馬約拉納粒子，並且正在進行實驗以研究是否是這種情況。現在我們知道馬約拉納粒子可以存在於超導體內部，那麼在自然界中發現它們可能就不足為奇了，亞茲達尼說。“一旦你發現這個概念是正確的，它很可能會出現在物理學的另一個層面。這才是令人興奮的地方。”
這一發現對於構建量子計算機也可能有用，量子計算機利用量子力學的定律，使計算速度比傳統計算機快許多倍。構建量子計算機的主要問題之一是量子特性（如糾纏，即兩個粒子之間的連線，使得對一個粒子的作用會影響另一個粒子）由於外部干擾而容易崩潰。末端分別帶有馬約拉納粒子的粒子鏈在某種程度上可以免受這種危險，因為必須同時破壞兩端才能破壞在那裡編碼的任何資訊。“你可以基於這些馬約拉納粒子構建一個量子位元，”亞茲達尼說。“這個想法是，這種位元比人們迄今為止嘗試製造的位元型別對環境更具魯棒性。”