厲害了!科學家首次發現「天使粒子」!存在沒有反粒子的粒子,顛覆正反對立的世界觀

2021-01-14 文匯教育

在整個物理學界歷經80年的探索之後，科學家們終於發現了手性馬約拉納費米子的存在。今天凌晨，美國加州大學洛杉磯分校華裔科學家王康隆、史丹福大學華裔科學家張首晟、上海科技大學教授寇煦豐等團隊合作在美國《科學》雜誌上發表了這一重大發現。


這一成果由加州大學洛杉磯分校王康隆、何慶林實驗團隊主導。這一題為《量子反常霍爾絕緣體—超導體結構中的手性馬約拉納費米子模式》的論文宣稱，成果驗證了由義大利理論物理學家馬約拉納80年前提出的預測——存在一類沒有反粒子的粒子，同時也證明了存在一種比量子還小的單位，這將對現在的量子理論帶來巨大的改變。


華裔科學家張首晟


課題實驗的靈感來自華裔科學家張首晟的預言


1928年，英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）提出了著名的狄拉克方程式，即宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子。這一預言在1932年被美國物理學家安德森在研究宇宙射線時證明。從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是永恆不變的真理。


▲狄拉克和刻在他墓碑上的方程


但是，1937年馬約拉納提出了猜測：會不會有一類沒有反粒子的粒子，或者說它們自身就是自己的反粒子。這個粒子被後來的物理學界稱之為馬約拉納費米子。自那時起，許多科學家一直在尋找這樣的粒子。


在物理學裡，存在兩大分支：粒子物理和凝聚態物理。


據張首晟介紹，在粒子物理中，標準模型範疇外的中微子被認為最可能是馬約拉納費米子，而且這一猜測有可能被「無中微子的beta雙衰變」實驗所驗證。但這項實驗所要求的精度在今後的10年到20年以內都難以達到。


而在凝聚態物理中，馬約拉納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。


▲Ettore Majorana


2010年到2015年期間，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馬約拉納費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。


參與此課題的上海科技大學教授寇煦豐提到，加州大學洛杉磯分校和上科大的團隊正是在張首晟團隊2015年理論工作的基礎上獲得了靈感，通過與加州大學埃爾文分校和史丹福大學團隊的緊密合作，製備了量子反常霍爾效應薄膜和超導體薄膜組成的混合器件，並在實驗中成功捕捉到了手性馬約拉納費米子的存在。他們在通常的整數量子平臺之外，探測到了張首晟團隊預言的半整數量子平臺。隨後的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力地排除了其他可能的實驗噪聲與假象。


▲張首晟團隊搜尋手性Majorana費米子的實驗平臺


更大程度上是一種準粒子，將推動實際應用發展


根據愛因斯坦E=mc²的質能公式， 當一個粒子遇上它的反粒子時，它們會相互湮滅從而將所有質量釋放出來成為能量。丹·布朗的小說及電影《天使與魔鬼》就描述過這樣的正反粒子湮滅爆炸的場景。而馬約拉納費米子則沒有正反之分，這也是為什麼張首晟稱此次發現的是「天使粒子」的原因。


他認為，「天使粒子」最重要的意義是改變了基礎物理中有正必有反的理論，也改變了人們一直認知的正反對立的世界觀。


而且，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，張首晟昨天在接受記者採訪時稱，「天使粒子」已經可以看到其實際應用的前景。


▲ 實驗中出現的半量子電導平臺


量子世界本質上是並行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子計算機能夠進行高度並行的量子計算，遠比經典計算機有效。然而，一個量子比特的信息存儲起來非常困難，微弱的環境噪聲都能夠毀滅其量子特性。但馬約拉納費米子沒有反粒子，馬約拉納費米子本身只相當於半個傳統粒子，這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馬約拉納費米子上。


如此一來，傳統的噪聲極難同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉納費米子，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，存儲在遠離的兩個馬約拉納費米子上的拓撲量子比特，本質上極其穩固。


張首晟團隊所提出的器件同時還是二維體系，從而允許馬約拉納費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能。


「事實上，不論此次發現的馬約拉納粒子，還是我們曾經發現的馬約拉納費米子，都不是傳統意義上的粒子，而是一種準粒子，但它同樣符合馬約拉納的預言。」上海交通大學賈金鋒教授在接受記者採訪時說。


▲1927年第五次索爾維（Solvay）會議參與者（攝於比利時索爾維國際物理研究所）


準粒子是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，即把傳統意義上某種粒子集體行為的某些表現，看作是一個粒子的行為。這樣可以簡化模型，便於正確表述某些具體物理現象背後的機理。


「粒子和準粒子就像球員和球隊的關係。」賈金鋒比喻說，「我們可能不了解隊中每個球員的特點以及球員之間的配合情況，但整支球隊卻像一個準粒子一樣，可以比較簡單地被認識。而且，恰恰是這類準粒子，才會產生實際的應用，而自然存在的粒子的發現則更多地能夠滿足人類對自然的理解。」


令人腦洞大開！


編輯：張瀟予

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  • 歷史性突破:華人科學家宣布找到「天使粒子」
    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。
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