80年前的預言成真!真有與自己反粒子一樣的粒子

2021-01-14 新聞透視

在物理學領域，科學家把構成物質的最小、最基本的單位叫做「基本粒子」，它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質，也是構成各種各樣物質的原材料。


在粒子世界裡，住著兩大家族：費米子家族（如電子、質子）和玻色子家族（如光子、介子），它們分別以物理學家費米和玻色的名字命名。

註：自旋為整數的粒子是玻色子，自旋為半整數的粒子是費米子。


一般認為，每一種粒子都有它的反粒子，當粒子與反粒子相遇時會發生湮滅現象，兩個粒子的質量消失而轉化為能量，符合E = mc 2




然而在1937年，義大利物理學家埃託雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，這種費米子的反粒子不但和它自己長相一樣，帶電屬性也一樣。兩兄弟站在一起就像照鏡子，可以說，它們的反粒子就是自己本身，這種費米子被稱為「馬約拉納費米子」。粒子物理標準模型裡的中微子是一種可能的馬約拉納費米子。



日本的超級神岡中微子探測器


但是中微子幾乎與其他任何粒子都不發生反應，地球面向太陽的區域每秒鐘在每平方釐米上都會穿過大約650億個來自太陽的中微子，能被實驗室捕捉到的也是個位數。儘管科學家做了很多努力，在過去的近80年中，物理學家一直都未找到馬約拉納費米子存在的證據。


今年初，神秘粒子蹤跡被中國科學家發現


今年初，上海交通大學大賈金鋒教授研究組與浙江大學許祝安、張富春研究組，南京大學李紹春研究組及美國麻省理工學院傅亮教授等合作形成的研究團隊，率先觀測到了在拓撲超導體渦旋中存在馬約拉納費米子的重要證據。


事實上，我們所發現的馬約拉納費米子並不是一個傳統意義上的粒子，而是一種準粒子，但它同樣符合馬約拉納的預言。準粒子是凝聚態物理中一個重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，也就是說把傳統意義上的某種粒子的集體行為的某些表現，看作是一個粒子的行為（即準粒子）。這樣可以大大簡化模型，便於正確表述某些具體物理現象的物理機理。



賈金鋒介紹說，粒子和準粒子的關係就像球員和球隊的關係：一支足球隊中每個球員可以看作是傳統意義上的粒子，球員之間相互配合可以看作是粒子之間的非常複雜的相互作用，雖然每個球員都有自己的特色，但整體上球隊卻會表現出來一個統一的風格。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，但是他們整支球隊卻像一個準粒子一樣可以比較簡單地被認識。




也有科學家一直認為，至今還沒有被直接觀測到的中性超對稱費米子很可能組成了宇宙中大多數甚至全部的暗物質，而這種中性超對稱費米子可能就是一種馬約拉納費米子。因此，觀測到複合的馬約拉納費米子，對於揭開暗物質的謎團也許又進了一步。



根據目前理論及觀測，我們認識的普通物質僅佔全宇宙的5%左右，剩下的95%全都是沒有探測到的暗物質和暗能量


「原子指南針」探測到馬約拉納費米子存在的關鍵證據


自然界中至今還沒有發現拓撲超導體，那麼賈金鋒團隊又是怎樣使馬約拉納費米子「露面」的呢？


理論預言，在拓撲絕緣體上面放置超導材料就能實現拓撲超導。這件事情聽起來容易，但卻在材料科學領域是一大難題。而且，由於在上方的超導材料的覆蓋，馬約拉納費米子很難被探測到。




在2014年，普林斯頓大學宣布發現了馬約拉納費米子，不過當時只能探測到粒子的能量為0，符合模型，而無法具體測量粒子的自旋和空間分布特性，因此不能真正算是真正意義上的發現。


基於這個發現，賈金鋒刻敏銳地意識到，可以用自旋極化的掃描隧道顯微鏡來探測馬約拉納費米子。「地球有南極和北極，同樣，在磁性材料表面的不同位置處也有『南』與『北』，這就是材料的磁學性質。自旋極化的掃描隧道顯微鏡的針尖具有磁性，它就像一個『原子指南針』，能夠準確地探測一個原子的磁性特徵，幫助我們找到隱藏在拓撲超導體渦旋中的的馬約拉納費米子。」




然而，馬約拉納費米子的磁性非常弱，要探測到它需要有更加靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡。目前，上海交通大學研究團隊擁有的儀器還達不到所需要的低溫（40mK，比絕對零度只高0.04K）。怎麼辦？


他們一方面積極為實驗進行準備，摸索樣品生長條件，準備磁性針尖等。另一方面，他們四處聯絡，尋找有條件的單位。結果很幸運，在微結構科學與技術2011協同創新中心內，發現南京大學剛剛建設一臺40mK的掃描隧道顯微鏡系統，可以為該實驗提供了一個充分的實驗條件。隨後，團隊研究人員按照預先設計好的方案，用自旋極化的掃描隧道顯微鏡在「人造拓撲超導薄膜」表面的渦旋中心進行了仔細測量。


2015年底，賈金鋒團隊及其合作者終於直接觀察到了馬約拉納費米子存在的有力證據——能量為0，粒子的自旋符合費米子特性，空間分布也與預言的一致，而且三者是自洽的（一個條件成立時，另外2個條件也成立）。這一發現最終被發表在物理評論快報這一權威物理學期刊。並得到了學界的廣泛認可。


未來量子計算領域顯身手

找到馬約拉納費米子意味著什麼？意味著人類在量子物理學領域取得了一個重大突破，同時也意味著在固體中實現拓撲量子計算成為可能。這個發現或將引發新一輪電子技術的革命，使人類進入拓撲量子計算的時代。



谷歌準備研製比普通電腦快一萬倍的量子計算機


與普通計算機通過二進位方式處理數據不同，量子計算機是一種基於量子物理機理處理數據的計算機。它對數據的處理速度驚人，如果把量子計算機比作飛機的話，那麼普通計算機只能算是自行車。使用普通計算機需要耗費巨大計算資源才能勉強處理的問題，在量子計算機看來是小菜一碟。


以天氣預報為例，由於現有技術的局限，現在人們對天氣的預測不可能達到每次都非常準確。如果使用量子計算機來計算天氣數據，不僅能瞬間運算海量數據，預測的準確性也會大大提高。當然，精確地預測天氣對於量子計算機來說還不算什麼，它能對海量已經合成的新材料，甚至還能對未合成的概念材料進行系統、精確、高效地計算，為材料科學領域帶來革命性的進步。而科學家們預期馬約拉納費米子就是製造量子計算機的完美選擇之一。


迄今還沒有製造出真正意義上的量子計算機，其中一個很重要的原因是，目前用於量子計算的粒子的量子態並不穩定，電磁幹擾或物理幹擾可以輕鬆打亂它們本應進行的計算。而馬約拉納費米子的反粒子就是自己本身，它的狀態非常穩定。這些屬性或許使量子計算機的製造變成現實的一個關鍵，從而幫助人類敲開拓撲量子計算時代的大門。








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    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。張首晟將這一新發現稱為「天使粒子」。普通群眾可能暫時難以理解這一發現，但是對基礎物理界來說，這或將開啟一個新的時代。
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