歷史性突破:華人科學家宣布找到「天使粒子」

2021-01-19 中國雷射

7月21日， Science上發表了一項重大成果：科學家宣布在凝聚態體系中發現了手性Majorana費米子的存在。這一發現，驗證了由義大利理論物理學家Ettore Majorana在80年前提出的預測——存在一類其反粒子為其自身的費米子。這將對現在的量子理論帶來巨大的改變。

該科研團隊由加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆課題組、史丹福大學張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等組成。張首晟教授將這一新發現稱為「天使粒子」，因為對於基礎物理界來說，這或將開啟一個新的時代。

1928年，英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）從理念上預言了正電子的存在。1932年，美國物理學家安德森在研究宇宙射線時，無意間發現了正電子。從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。

但是，在1937年，也就是距今整整80年前，義大利理論物理學家Ettore Majorana做出一個大膽的理論預測：存在一類粒子，其反粒子為其自身。這個粒子被後來的物理學界稱為Majorana費米子，並和希格斯波色子、引力子、磁單極子等一起構成物理學界苦心尋覓的神秘粒子。

義大利理論物理學家 Ettore Majorana

從那開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學領域中研究工作的崇高目標。

粒子物理和凝聚態物理是物理學的兩大分支。此前粒子物理學家曾認為中微子可能是Majorana費米子，而且這一猜測有可能被「無中微子雙beta衰變」實驗所驗證。但目前國際上多個開展「無中微子雙beta衰變」實驗的研究組都尚未發現這一衰變現象，中微子是否Majorana費米子的問題尚懸而未決。

而在張首晟教授研究的凝聚態物理中，Majorana費米子有可能作為某些新奇量子基態上的準粒子或元激發而存在。2010年到2015年之間，張首晟與其團隊連續發表三篇論文，精準預言了在哪裡能夠找到Majorana費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。

張首晟的團隊預言手性Majorana費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的異質結構中。

張首晟團隊搜尋手性Majorana費米子的實驗平臺

在以往的量子反常霍爾效應實驗中，隨著調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平臺，對應著1，0，-1倍基本電阻單位e2/h。也就是說，量子世界裡的電阻是量子化的，它只能整數倍地跳臺階。當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近效應使之能夠實現手性Majorana 費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平臺，對應½倍基本電阻單位e2/h。

在後續的實驗驗證中，激動人心的成果出現了：王康隆等實驗團隊看到了「1/2的臺階」。 這半個基本電阻在某種意義上可以視為半個傳統粒子，因此，多出來的半整數量子平臺為手性Majorana費米子的存在提供了有力的印證。

實驗中出現的分數量子霍爾電導平臺

根據這一理論預言，來自UCLA（由何慶林、王康隆教授領導）和UC Irvine（由夏晶教授領導）的兩個實驗團隊與張首晟教授的理論團隊緊密合作，在實驗上觀測到了「1/2分數量子霍爾電導平臺」，發現了手性Majorana費米子。

張首晟教授表示，天使粒子最重要的意義是改變了基礎物理，因為它改變了人們一直認知的正反對立的世界觀。天使粒子的發現，也是建立在量子反常霍爾效應以及拓撲絕緣體的基礎上。不僅如此，不同於其他基本科學從發現到技術應用往往需要多年時間，天使粒子已經可以看到其實際應用的前景。

一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環境噪聲都能夠毀滅其量子特性。但Majorana費米子沒有反粒子，或者說相當於半個傳統粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠的Majorana費米子上。

如此一來，傳統的噪聲極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進而毀滅所存儲的量子信息。相較於傳統的存儲方式，比如電子自旋，超導磁通和光子極化，這樣存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特，本質上極其穩固。

也就是說，Majorana費米子能夠用於構造穩固的拓撲量子計算機，使得有效的量子計算成為可能。張首晟表示，原先大家已經認為量子是最小的單位，而天使粒子使得一個量子單位可以拆為兩半，讓量子變得更穩定。

現在，這項科學已經可以開始應用。「谷歌和微軟已經提供了支持，未來，在國內也會開始進行應用。」張首晟說。

（消息來源：鳳凰科技 、人民網）






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