王康隆教授談發現「天使粒子」實驗過程—新聞—科學網

2020-11-25 科學網

 

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《達文西密碼》作者丹·布朗創作的另一部暢銷小說《天使與魔鬼》，反物質是故事的主要載體。故事主人公是歐洲核子研究中心（CERN）的著名科學家，他在地下實驗室秘密製造出的反物質不翼而飛，可能會因自行爆炸將整座城市毀滅。在失蹤的24小時內，主人公與盜取反物質的勢力展開了鬥智鬥勇的冒險之旅。

 

21日被華人科學家團隊首次發現並公布的馬約拉納費米子，張首晟根據《天使與魔鬼》的內容將其稱為「天使粒子」。他指出，在馬約拉納費米子的「量子世界」中，只有天使，沒有魔鬼。但主導這次研究的加州大學洛杉磯分校教授王康隆，接受科技日報記者採訪時認為，馬約拉納費米子正反同體，就像道家的陰陽八卦圖一樣，因此叫「太極粒子」可能更貼切。

 

王教授表示，這次發現是實驗室13年來在材料和物理現象的基礎研究領域長期堅持的結果，是準備了大量的實驗材料，做了大量的前期研究後，才一步步實現的。「對我們團隊而言，這是一個意外的驚喜。」

 

正反同體 神秘莫測

 

標準物理理論模型中，12種基本粒子被分成兩大家族：電子、質子等8種粒子組成的費米子家族和光子、介子等4種粒子組成的玻色子家族。一般認為，每一種粒子都有其反粒子，且狀態與粒子本身相反，粒子與反粒子相遇會瞬間湮滅。

 

但1937年，埃託雷·馬約拉納預言，有一類特殊的費米子，像光子等玻色子一樣，它們的反粒子就是自身，這種費米子被稱為「馬約拉納費米子」。離奇的是，就在馬約拉納作出這一重大預測不久，他給家人和單位分別留下一封簡訊，帶著預支的半年薪水和所有科研資料，踏上一艘船後神秘失蹤。80年來，馬約拉納費米子與馬約拉納本人，分別成為物理學家們和科幻小說的神秘主角，只是關於馬約拉納的結局更多的是炒作，如「被外星人接走了」；至於馬約拉納費米子，經過幾代物理人的努力，籠罩在其頭上的「面紗」一點點被揭開。

 

時隔80載終現身

 

近80年來，世界各國物理學家從來沒有停止過對「天使粒子」的探尋。科學家們相信，中微子可能就是自己的反粒子。目前，包括美國新墨西哥州濃縮氙觀測站實施的EXO-200等四個大型實驗正在搜尋中微子，但由於中微子不帶電、質量極小，被稱為宇宙中的「隱身人」，這些尋找天然基本粒子的實驗難度非常大，估計十年內也不會通過這些實驗為「天使粒子」找到答案。

 

直到10年前，科學家們在探索材料物理學的一些實驗中發現，有些材料內可能產生「天使粒子」。於是，科學家們在另一個「戰場」開始了搜尋「天使粒子」的競賽：由超導材料中電子集體行為產生的粒子式激發，稱為「準粒子」。雖然準粒子不像自然界的基本粒子，但它們仍被認為是真正的馬約拉納費米子。

 

這次研究中，加州大學洛杉磯分校王康隆團隊根據自己在拓撲材料領域10多年的積累，與多位華人科學家合作，在真空冷藏室內，將底部的拓撲絕緣體材料和上面的超導體薄膜堆疊在一起，形成一種超導拓撲絕緣體，通過添加少量磁性材料，讓電子只沿著拓撲絕緣體表面的一個邊緣單向流動。再向堆疊的薄膜上掃過一塊磁鐵，不斷調整電子的流動速度和方向，在某些時刻，他們觀察到馬約拉納費米子從超導層裡出現，像電子一樣沿著拓撲絕緣體的邊緣流動，只是邁出的每一「步」，高度只有電子每步的一半。這些「半步」，就是研究人員一直在尋找的馬約拉納費米子存在的鐵證。

 

王康隆教授表示，他們最初做實驗時，並沒有計劃一定要找到這個特別的粒子。2008年，他們開始拓撲絕緣體的研究，最初是為了探索這種材料能否應用於低功耗電子晶片的開發。因為理論預測指出，馬約拉那費米子可能存在於一種量子線和普通超導體薄膜組成的混合器件中，他們課題組才開始探尋神秘的馬約拉納費米子。

 

製造量子計算機的完美選擇

 

這次發現的馬約拉納費米子是一種手性粒子，「手性」可大致理解為這種粒子只沿一個方向運動，可用來實現低能耗的信息傳輸和處理。

 

2016年6月，上海交通大學賈金鋒課題組及其合作者在《物理評論快報》上發表論文指出，他們在拓撲絕緣體和超導體形成的拓撲超導體界面中，觀察到特有的自旋極化電流，為一維馬約拉納費米子的存在提供了確鑿證據。

 

而這次研究中，王康隆主導的團隊首次在二維空間觀察到手性馬約拉納費米子的量子態，且在不同的樣品中能重複觀測。由於這次發現的是在二維邊界上延伸的手性模式，可用於傳輸，這對凝聚態中馬約拉納費米子的研究和應用將起到很大的推動作用。

 

王康隆告訴科技日報記者，馬約拉納費米子是製造量子計算機的完美選擇。與現在量子計算機面臨的最大障礙——被環境噪音幹擾不同，未來量子計算機的每個量子比特信息可以用兩個相距很遠的「天使粒子」存儲，這樣背景噪音就不可能對它們造成破壞，它們攜帶的信息也不會丟失。

 

    （科技日報北京7月23日電） 

 

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