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学术不端
《科学》（Science）

如何看待 Science 撤稿「天使粒子」论文，因原始数据有严重违规和不符之处，无法重现论文中的结果？

你还知道哪些凝聚态中相似的不可重复的实验应该被撤稿？ Editorial Retraction 11 月 18 日凌晨 3 点，《科学》（ Scien…
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利益相关，Majorana领域可能大概已经凉了。

拓扑量子计算在2000年左右由Kitaev提出 [1] [2] 。普通的量子比特一般都是local的态，容易受到电荷、磁场等噪声的影响，相干时间很难提高。拓扑比特本身在理论上说，是一个非常妙的想法。

由于majorana是自己的反粒子，通常成对出现，且是一个unlocal的态。比如在纳米线体系里，会在纳米线的两端出现。这就意味这local的噪声不会造成整个比特的退相干。拓扑比特的门也可以通过时空上的编织来实现。

这样天才的idea，从一开始就成为了研究热点。而最受关注的两个实验平台，分别是超导/半导体纳米线，和超导/反常量子霍尔效应。一个是1D体系，一个是2D体系。虽然从理论上已经证明，Majorana不能实现全量子门，也就是说只有一部分量子门操作可以被拓扑保护。但是这样的拓扑比特体系，只要能第一个实验验证，一定能在科学上青史留名。只要实验上证明了拓扑保护的比特，kiteav第二年就拿诺奖都有可能。这么大的名誉，所有实验家都想捷足先登。


那么两个平台的实验都是什么情况呢？

纳米线体系 中，最早结果是leo p. kouwenhoven在2012年报道的。他们在超导/半导体纳米线中，施加磁场后在超导能隙中发现了零能的峰。他们声称这就是majorana的存在信号。 当然，同时Lund的Hongqing Xu组也发现了同样的结果，最后在一番不为人知的操作下xu组的文章只投到了Nano letter [3] .

但是，后来人们意识到，零能峰不是majorna特有的性质。拓扑平庸的Andreev bound state在磁场下也会出现零能峰。接下来的几年，无数的组水了不知道多少篇nature science，设计新的实验想证明自己的体系是拓扑的majorana，想排除拓扑庸的Andreev bound state。但是至今没有一个实验能完全排除拓扑平庸的解释。2018年，Delft的工作 [4] 出来了。实验发现，零能峰的电导可以到2e^2/h, 也就是量子电导。量子输运中，单个量子态在弹道输运的情况下，电导就会出现量子化。这个工作也被微软拿来大肆宣传，当时的新闻稿说3年内就能做出拓扑比特了。

但是2020年初，leo组的博后，2012年第一篇文章的共同作者Sergey Frolov对量子电导的工作产生了质疑。他在匹兹堡的组拿到了同样的材料，花了大把时间做样品测量，但是一直得不到同样的结果。sergey于是向Delft要求提供原始数据，并和同样是第一篇第一作者的‪Vincent Mourik一起分析。结果发现，在关键的量子化电导处，作者主动删去了一部分数据，这部分电导明显大于2e^2/h。并且这个量子电导，只能在特定的一些隧穿门电压下看到。而作者对删去数据的解释是，有很多电荷噪声导致的charge jump，为了绘图美观删去。

这样的解释显然不能让人满意，sergey也对nature编辑提出了质疑。同时delft和微软也组织了一波调查，在欢声笑语中文章最后被撤稿。另外，sergey对作者的很多其他文章也进行了原始数据调查，这就包括第二篇被撤稿的文章 [5] 。这篇文章其实并没有谈majorana，而是一篇“材料文章”，通过特殊的生长技术实现了纳米线网络。而这篇撤稿的原因也一样，原始数据被删改过，为了符合最后得出的结论。（这里长材料的组真实躺枪，本来长出这种材料就已经够分量一篇nature。而测量组各种诡异操作一番导致文章被撤。）

然后是 超导/量子反常霍尔效应平台。 在这种平台里，量子霍尔效应的电导应该是e^2/h的整数倍。而如果出现majorana的话，电导可能会产生1/2 * e^2/h的平台。2017年，UCLA的Kanglong wang组发表science，宣称实现了手性Majorana。在磁场扫描中（图c），发现电导出现了半整数的平台。

文章出来后也是很大轰动，SC Zhang也被认为诺奖稳了。然后，同样的故事发生了，很多个组尝试重复这篇实验的结果，用费了不知道多少个PhD发现根本重复不出来图中一样的曲线。2020年Cuizu Chang在science发文 [6] ，声明无法重复出同样的结果。文章同时提出，半整数平台可以出现，但是只是平庸的”短路“导致电导为半整数。至今没人知道UCLA文章中的半整数平台的数据是真实测量的，还是后期加上去的。


如何评价？学术造假、数据造假是学术界的头号大敌。一个组声称自己做出了某项轰动的结果，必然会有很多组会尝试去重复。而重复这样的结果，意味着要话几个月甚至几年，无数个phd posdoc在lab里加班加点制样品测量。而这些所有的”重复工作“，如果一开始的目标是错的话，必然结果是无功而返。而这些无用功，浪费了无数的经费、浪费了无数科研人员的时间。这些人力物力，完全可以用来研究更有价值的方向。

平心而论，我现在依然觉得拓扑保护比特是一个绝佳的idea。如果能在实验中实现，将是巨大的价值。但是抱歉，这个领域已经慢性死亡了。目前愿意再碰这个领域的越来越少，而之前做这个方向的组，现在很多也开始转行做其他”不拓扑“的体系了。微软几个月前发表了新结果，宣传自己在纳米线体系又推进了一步，但是一看结果。所谓宣称的robust拓扑保护，到头来只是参数相图里非常零星的几个区域，有拓扑可能存在的”间接证据“。

2020年，物理学家John Preskill和Jonathan Dowling打赌，十年后会做出第一个拓扑保护比特。Preskill赌会有，Dowling赌不会，赌的是一杯啤酒和一个pizza。Dowling教授也很可惜的在同一年就去世了。可惜Dowling没机会享用这顿大餐了。

参考

  1. ^ Kitaev, A. Y. (2001). Unpaired Majorana fermions in quantum wires. Physics-uspekhi, 44(10S), 131.
  2. ^ Kitaev, A. Y. (2003). Fault-tolerant quantum computation by anyons. Annals of Physics, 303(1), 2-30.
  3. ^ Deng, M. T., Yu, C. L., Huang, G. Y., Larsson, M., Caroff, P., & Xu, H. Q. (2012). Anomalous zero-bias conductance peak in a Nb–InSb nanowire–Nb hybrid device. Nano letters, 12(12), 6414-6419.
  4. ^ Zhang, H., Liu, C. X., Gazibegovic, S., Xu, D., Logan, J. A., Wang, G., ... & Kouwenhoven, L. P. (2018). Retracted article: Quantized majorana conductance. Nature, 556(7699), 74-79.
  5. ^ Gazibegovic, Sasa, et al. "RETRACTED ARTICLE: Epitaxy of advanced nanowire quantum devices." Nature 548.7668 (2017): 434-438.
  6. ^ Kayyalha, M., Xiao, D., Zhang, R., Shin, J., Jiang, J., Wang, F., ... & Chang, C. Z. (2020). Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices. Science, 367(6473), 64-67.

利益相关，且自问自答。

首先纠正几个回答的很大的误区。此次撤稿的“天使粒子”论文中的Majorana fermion(手征马脚费米子，CMM，二维的边缘)和用于拓扑量子计算的Majorana zero mode (Majorana anyon, MZM，一维体系的两端)，区别相当大，大概相当于半导体中的布洛赫电子之比于量子点中的囚禁单电子、Paul阱中的囚禁单离子一样大。此次撤稿的“天使粒子”论文中的CMM是一个费米形的激发，满足“Majorana对自为反粒子的费米子”的原始定义，且为一维。而半导体结中寻找的MZM，定义上并不是费米子，而是一个“任意子”。这样的任意子激发，也可以在分数量子霍尔效应中找到。当然，这两者也有共性——他们都打破了时间反演对称性和不需要具有偶然的手征性，且是超导体，同属于(C,P,T)=(0,1,0)的class-D。所以，从CMM出发，可以通过手段构造出MZM，但是这是非常后续的步骤。

两者的拓扑数也非常不一样。CMM是二维的边缘，它由一个整数Z表征，且边缘态的数量等于Z。CMM这样的“半个电子”，有一个非常奇特的性质，那就是当CMM发生弹道输运，每条边缘态贡献电导仅为弹道输运量子信号的一半，即 \frac{1}{2}\frac{e^2}{h} 。当CMM在超导体边缘发生弹道输运，这样的系统和电子的量子霍尔效应十分类似，因此，这样的二维时间反演破缺的手征超导体也可以看成马脚粒子的量子霍尔效应。相反，MZM则更加类似量子点，它由一个集合{0,1}来表征，其中0表示平庸，1表示拓扑。其本身也是费米子，但是当和纳米线共同考量，则满足Ising anyon 统计。当这样的MZM出现，由于其带电，最好的测量也类似于量子点，是通过强制激发一个虚电子与体系散射，获得的隧穿电导将类似量子点接触，是量子化的。

寻找二维系统中的一维马脚(2D chiral p-wave)和寻找一维系统中的零维马脚(1D p-wave)是两个很不相同的社群。

一维马脚，主要是本征二维拓扑材料的寻找和QH/QAH-SC积木系统在做。前者的代表为FeTeSe等铁基超导，中国科研组在其中几乎是引领者。后者QH-SC/QAH-SC在二维材料、MBE社区中玩的很多，目前主要要解决的更多是技术和界面问题，后面会慢慢提到。这样的器件一般尺度在>um。

相反，做MZM往往来自于本职工作为量子点或者自旋输运的组，欧洲做的最多。这样的器件一般尺度则<um，常常在纳米量级。

这样两批很不一样的人的领域中，同时出现大的纰漏，我个人更倾向于偶然。很多答主说的“马脚领域”凉了，说的是两个不同的概念。


对原文的分析，知乎上已经有很多，抛砖引玉：

如何评价「天使粒子」实验不可重复？

我想说说当时我看到这篇文章，第一反应为什么就是不可置信： 这个理论对材料和实验的要求，简直是苛刻至极；这个实验样品的魔幻和与理论的符合，简直是神迹。 原理论的proposal首先是QH+SC( Chiral topological superconductor from the quantum Hall state )，然后是QAH+SC( Chiral topological superconductor and half-integer conductance plateau from quantum anomalous Hall plateau transition )，理论要求什么呢:

  1. 超导态不会压制磁性态。众所周知，超导态是一个非常变态的态。只要是什么金属甚至是不太厚的绝缘体出现在超导附近几nm，这个东西基本上直接就超导了，而普通的s-wave超导不能和磁场共存。因此，s-wave-week FM-s-wave界面，大部分薄的器件FM直接给干死了。
  2. 磁性态不会压制超导态。如果有一个很弱的超导态，问题又来了，虽然无穷大FM磁体的表面没有stray field（经典磁场效应），但是s-wave会被非经典自旋交换场给干死。。因此，超导不能太强，也不能太弱。
  3. 超导-QAH界面对过来的电子是完美的反射。去做做/看看Graphene-MoRe或者Graphene-NbSe2就知道这有多么不可能了。。Graphene-NbSe2器件的mobility可是QAH-Nb的很多倍哦。。
  4. 超导-QAH在竞争的情况下两个边缘通道散射依然很小。去看看QAH表面扫的MFM的图吧；加个超导再来个charge transfer的puddle- -。
  5. 超导-QAH对QAH的费米面影响是有限的。在QAH上长Nb是会狠狠的破坏表面性质的；哪怕有特殊的方法长的很好还有strain, charge transfer的影响。长了超导，费米面还在不在以及QAH-QAH/SC-QAH的费米面还是不是在连续的区域都不好说。这会大大影响条件3。

回头看此Science，在近乎完美的满足上面的条件下，还有戴希老师提到的所谓的“魔障”(magic barrier， 如何评价「天使粒子」实验不可重复？ )现象——SC-QAH在高场下耦合非常好，低场则看起来不电荷耦合了。这个器件牛逼到连gate都不需要，SC真的没怎么改变费米面:)。这次撤稿，则是对我们科学逻辑的很好的训练——看起来听起来不可能的，真的就是不可能。

不足信的论文有几类:1)造假(data fabrication/manipulation)，应该直接撤稿。2) 原始数据为真，但是数据很难/不可重复，数据解释上出错，数据process出错。3)原始数据为真，数据可重复，但是科学上trivial。第一类属于科学污点，是需要被挂起来人身攻击的。而2-3则更加止步于科学讨论。此前Hao Zhang, Leo, et al被撤稿的文章，更可能属于2)。这一次的撤稿属于哪一类？从撤稿声明乐观的看，是属于2)。但是据报道，似乎Molenkamp是第一个对此提出严重指控的人，而且据他所说，“拿到了原始数据，且原始数据有问题”，再加上实验作者之一的"A. L. Stern"(可能就是用dilution fridge测样品且可能有原始数据的)认可撤稿且业已退圈，我们不禁浮想第1)点的可能。当然，笔者手中还有一些有趣的爆料，例如PI之间的微信截图、PI打电话的周围人的偷听等等，然而，都只是二手消息，很难实锤1)。

回归科学讨论。个人观点上，我觉得“这个行业”（实际上是两个行业）并不会凉。事实上，我们已经信任了近两百年无相互作用的的能带理论，我个人觉得class-D这么简单的系统(只要求P = 1!)，怎么会比class-A(量子霍尔效应)难那么多？量子霍尔效应，在目前成熟的课题组，几乎只需要不超过五小时就可以做出质量非常高的、2K5T下就能出现量子霍尔态的器件。唯一的可能性是搞理论的弄丢了什么，或许，对称保护的拓扑态并不是那么稳定的，对P = 1(维持超导能隙)的要求可能只是奢求。目前，也有很多理论方向在反思，是不是class-D真的没有想象中的那么稳定，比如这个理论Nature Physics: nature.com/articles/s41 .