華人科學家張首晟團隊發現「天使粒子」 量子計算成為可能

2021-01-09 前瞻網

1928年，物理學家保羅·狄拉克做出了驚人的預測：宇宙中的每個基本粒子都有一個反粒子，但是所攜帶電荷相反。當粒子和反粒子相遇時，它們將會被湮滅，釋放出一股能量。果不其然，幾年後，第一個反物質粒子——電子的正電荷，正電子——被發現，反物質迅速成為流行文化的一部分。

但在1937年，另一位輝煌的物理學家埃託雷·馬約拉納則帶來了一個新的轉折：他預言，在稱為費米子的粒子類中，存在沒有反粒子的粒子，或者說正反同體的粒子。

現在，史丹福大學科學家在內組成的一個團隊已經發現了馬約拉納費米子存在的第一個證據。這個證據是在加利福尼亞大學與史丹福大學合作的一系列實驗中發現。該團隊由加州大學爾灣分校副教授Jing Xia和UCLA教授Kang Wang領銜，並按照其同事兼史丹福大學物理學教授張首晟及其同事提出的計劃。該團隊7月20日在《科學》上公布其結果。

「我們的團隊預測了在哪裡可以找到馬約拉納費米子以及尋找『確鑿證據』的實驗特徵。」 研究論文的資深作者之一及理論物理學家張首晟說，「這個發現總結了基礎物理學中最密集的搜索之一，跨越了80年。」

儘管對著名的費米子的搜尋似乎比實際更加智能化，但他補充說，誠然這還在遙遠的未來，但它對構建穩健的量子計算機具有現實意義。

研究團隊觀察到的特別類型的馬約拉納費米子被稱為「手性」費米子，因為它沿著一個方向在一維通路移動。研究人員表示，儘管產生的實驗非常難以設想、建立和實施，但它們產生的信號是清晰無誤的。

「這項研究對多年來追尋手性馬約拉納費米子達到頂點。這將是該領域的一個裡程碑，」史丹福大學材料與能源科學研究所(SIMES)主任Tom Devereaux在SLAC國家加速器實驗室說，張首晟是該實驗室首席調查員。

「這似乎是對新事物的一個非常清楚的觀察。」麻省理工學院的理論物理學家和諾貝爾獎獲得者弗朗克·韋爾切克(沒有參與這項研究)表示，「這根本不奇怪，因為物理學家早就想到了這個實驗中使用的材料種類可能會產生馬約拉納費米子。但是他們把幾個從未被放在一起的元素組合在一起，並且工程化的東西使得這種新型的量子粒子能夠以一種清楚、穩固的方式被觀察到，這是一個真正的裡程碑。」

搜尋「準粒子」

馬約拉納的預測僅適用於不含電荷的費米子，如中子和中微子。 科學家已經發現了一個中子的反粒子，但他們有很好的理由相信中微子可能是自己的反粒子，在新墨西哥州還有四個實驗正在進行，包括EXO-200。但是，這些實驗非常困難，預計十年左右不會得到答案。

大約10年前，科學家們意識到，在探索材料物理學的實驗中，也可能會產生馬約拉納費米子，一場競賽也隨之開始。

他們一直在尋找的是「準粒子」——由超導材料中電子的集體行為產生的粒子激發，其以100%的效率傳導電力。根據愛因斯坦著名的方程E = mc2，產生這些準粒子的過程類似於能量在空間真空中，轉成短壽命的「虛擬」粒子並再次成為能量的方式。雖然準粒子不像自然界中發現的顆粒，但它們仍然被認為是真正的馬約拉納費米子。

在過去五年中，科學家們通過這種方法取得了一些成功，報告說他們在涉及超導納米金屬線的實驗中，有希望看到有馬約拉納費米子的特徵。

但是在這些情況下，準粒子被「束縛」——固定在一個特定的地方，而不是在空間和時間上傳播，而且很難判斷其他影響是否能讓研究人員看到的信號。

「確鑿證據」

在加州大學洛杉磯分校和UC-Irvine的最新實驗中，團隊將兩個量子材料的薄膜(超導體和磁拓撲絕緣體)堆疊在一起，並將其中的電流全部送入冷藏真空室。

頂級薄膜是超導體。底部是一種拓撲絕緣體，其僅沿其表面或邊緣傳導電流，但不通過其中間。將它們放在一起形成了一種超導拓撲絕緣體，電子沿著材料表面的兩個邊緣拉動而沒有阻力，如高速公路上的汽車。

張首晟的想法是通過添加少量的磁性材料來調整拓撲絕緣體。這使得電子沿著表面一個邊緣單向流動，反之亦然。

然後，研究人員在堆疊上掃過一塊磁鐵。這使得電子的流動變慢，停止並切換方向。這些變化並不順利，但是突然的步驟上就發生了，就像樓梯上相同的臺階一樣。

在這個周期的某些時刻，馬約拉納準粒子出現，成對地出現在超導層之外，像電子一樣沿拓撲絕緣體的邊緣傳播。每對的一個成員偏離了路徑，允許研究人員輕鬆測量保持向前的單個準粒子的流動。像電子一樣，它們減慢速度，停止並改變了方向——但是步進的速度恰好是電子所佔的一半。

這些一半步進速度是研究人員一直在尋找的確鑿證據。

史丹福大學物理學教授喬治·格雷塔(Giorgio Gratta)教授在設計和規劃EXO-200方面發揮了重要作用， 他補充說：「更有趣的是物理學中的類比證明非常強大。 即使他們是不同的野獸，不同的過程，也許我們可以用一個理解另一個。 也許我們會發現對我們有趣的事情。」

天使粒子

張首晟表示，在遙遠的未來，馬約拉納費米子可以用來構建強大的量子計算機，而這些量子計算機並沒有被環境幹擾所拋棄，這是其發展的重大障礙。由於每個馬約拉納基本上是亞原子粒子的一半，所以信息量可以單獨存儲在兩個廣泛分開的馬約拉納費米子中，減少了一些可能一次擾亂它們的機會，並使它們丟失了它們所攜帶的信息。

現在，他提出了他的團隊發現的手性馬約拉納費米子的名字：「天使粒子」，來源於2000年暢銷驚悚小說《天使與惡魔》，書中一個秘密兄弟會情節，用定時炸彈炸毀梵蒂岡爆，爆炸力量來自反物質湮滅。與書中不同，張首晟指出，在「量子世界」中，只有天使——沒有惡魔。

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