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CERNET第24届学术年会
选择字体:      南方日报  发布时间:2017-07-24

科普:华人科学家首次找到的“天使粒子”是什么?

  希格斯玻色子、引力波,这几年的物理学界捷报连连,尽管大多数人不知道这些发现意味着什么,顶多多了一个高频词汇或者多了一项谈资,不求甚解。一篇名为《量子反常霍尔效应绝缘体—超导体结构中的手性马约拉纳费米子模》的论文发表在本月7月20日的《Science》杂志上。一个名叫“天使粒子”的名词开始刷屏,各大媒体争相报道,“80年的追踪终于找到”“拓扑量子计算机”“诺奖候选”等等标签统统贴上,并且宣称该发现“结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻”。

  事实上,就连科研团队本身,都未曾声称找到了这个没有反粒子“正反同体”的著名的“马约拉纳费米子”,而是将之称为“马约拉纳费米子模”,一字之差,大有文章,是“粒子”与“准粒子”的差别,也是粒子物理和凝聚态物理的差别,或者按照参与人员张首晟教授的话来说,这次的发现是马约拉纳费米子存在的“铁证”,但是铁证与真正的马约拉纳费米子之间还有距离。

  焦点1

  马约拉纳费米子有没有被找到?

  答案:没有!只是证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,是世界上首次实验证明这种粒子存在的最有力证据。

  文章的第一作者、加州大学洛杉矶分校(UCLA)的何庆林是这样解释这次研究的:“本次研究是利用了反常量子霍尔绝缘体与超导体的耦合机制而形成一种新的拓扑量子态,称为拓扑超导体。UCLA团队利用分子束外延技术,制备了只有6纳米厚的反常量子霍尔绝缘体薄膜,然后在表层沉积超导体后将样品冷却至接近绝对零度,通过外加电场和磁场的调控,测试样品的量子电导,来证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态,并且世界上首次实现其粒子的量子化,因此此工作是世界上首次实验证明这种粒子存在的最有力证据。”

  何庆林的解释充满了各种专业名词,但抛开复杂的理论与技术来看,其意思就是“本项研究的重点就是实验中观测到了马约拉纳费米子模存在的证据,同时又极大程度上排除了其他因素的影响,成为马约拉纳准费米子存在的有力证据”。也就是说,这项研究提供了证据证明“马约拉纳费米子是存在的”,但是至今仍未能发现它。

  焦点2

  “天使粒子”究竟是什么?

  答案:并不是真正的粒子,更不是所谓的基本粒子,而是“准粒子”,是作为固态系统中简化多体问题的手段之一而引入的数学模型。

  实际上,此次宣布发现的“马约拉纳费米子”并不是真正的粒子,更不是所谓的基本粒子,而是“准粒子”,是作为固态系统中简化多体问题的手段之一而引入的数学模型。例如,常见的准粒子的例子还包括,为了描述固态系统中原子震动的传播而引入的“声子”。

  文章的共同第一作者、加州大学洛杉矶分校的潘磊表示:“马约拉纳费米子本来是一个高能物理概念,是一种有质量的基本粒子,很多人认为中微子就是马约拉纳费米子。这里要说明,现在所有的发现,都不是真正看到了马约拉纳费米子,而是发现了‘符合马约拉纳费米子性质的激发态’。”

  中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对此评价说,这个发现不是基本粒子,而是在极低温条件之下以及二维材料的边界上造成的某种量子态,这个态满足中性粒子的要求,即其反态就是自身。鉴于这种量子态需要极端条件,距离应用还比较远,如果我用一句大白话来解释,就是“凝聚态物理还没有攻陷粒子物理”。

  焦点3

  马约拉纳费米子藏在哪里?

  答案:不知道,可能在中微子里。

  截至目前,又出现了两个对立的概念,即粒子与准粒子、粒子物理与凝聚态物理。这组关系才是理解这项科研成果的关键所在。

  根据物理学定义,粒子指能够以自由状态存在的最小物质组成部分,现在已经发现的粒子达到400多种。按照粒子与各种相互作用的不同关系,将粒子分为三类,媒介子、轻子、强子。按照粒子物理学标准模型认为,基本粒子有费米子和玻色子两大类,费米子构成物质并通过交换玻色子发生相互作用。依据超对称性原理,所有的费米子都存在反粒子,比如正电子就是电子的反粒子。

  1928年,物理学家保罗·迪拉克做出了一个预测:宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时,它们会湮灭,同时释放出一股能量。果然,几年后第一个反物质——电子的反粒子被发现。但在1937年,另一位物理学家埃托里·马约拉纳指出了一个反转:他预测,在一类被称为“费米子”的粒子(包括了质子、中子、电子、中微子和夸克)中,应该有一些粒子,自己就是自己的反粒子。但马约拉纳费米子被预言之后,截至该项研究成果发布,粒子物理学中的马约拉纳费米子在过去的80年间了无踪迹。

  马约拉纳的预言只针对不带电荷的费米子,比如中子和中微子。科学家们已经找到了中子的反粒子;至于中微子,有很好的理由认为它的反粒子可能就是它本身。目前有4个实验正试图验证这一论断——比如新墨西哥州的浓缩氙观测站的最新升级版EXO—200。不过这些实验难度太大,可能在未来十年内都难以得到结论。

  焦点4

  “准马约拉纳费米子”又是什么?

  答案:符合马约拉纳费米子性质的激发态。

  2013年3月14日,欧洲核子研究组织公开确认:探测到的新粒子是希格斯玻色子,而发现的手段是在大型对撞机中。而这次发现的“马约拉纳费米子”,并不是在对撞机或者其它粒子物理的探测设备中被发现。

  记者了解到,大约10年前,科学家们意识到马约拉纳费米子还可能在材料物理的实验中制造出来,于是,一场找到这种粒子的“竞赛”在学界拉开了帷幕。他们寻找的,其实是“准粒子”。所谓准粒子是复杂系统的一种物理现象,它虽然不是“真”的粒子,但是其行为就像是一个粒子。在超导材料中,许多电子的集合行为,就能产生出准粒子。

  实际上,对于马约拉纳费米子的寻找已经从纯粹的粒子物理的方式转变为凝聚态物理的方式。中科院物理研究所研究员戴希表示,当代凝聚态物理中涉及的这些所谓“新粒子”,无论是外尔费米子还是马约拉纳费米子,都是在“准粒子”或“元激发”意义上讲的。

  凝聚态物理学家认为,调控固体材料中大量电子的集体运动模型,可以获得“准马约拉纳费米子”。在2010年至2015年间,张首晟团队连续发表了多篇论文,阐述了利用磁场调控由量子反常霍尔效应薄膜和超导薄膜构成的混合器件中的电子集体运动模式,通过是否存在半整数量子化电导平台来判定这种准粒子的存在。

  过去的5年中,科学家们用这凝聚态物理的研究手段取得了一定成果。曾有研究者表示,在研究超导纳米线材的试验中观测到了很可能是马约拉纳费米子的痕迹。2016年6月22日,上海交通大学贾金锋科研团队宣布,通过一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特殊人工薄膜,已在实验室里成功捕捉到了马约拉纳费米子。

  但在之前的实验中,这些准粒子都是被“束缚”的——它们被困在特定的位置,而不会在时空中传播;而且人们也很难确认这些痕迹是不是也有其他效应的作用。斯坦福大学的报道新闻稿将之形容为“如同犯罪现场还在冒烟的枪”。

  名词解释

  粒子

  粒子指能够以自由状态存在的最小物质组成部分,现在已经发现的粒子达到400多种。而按照粒子物理学标准模型认为,基本粒子有费米子和玻色子两大类,费米子构成物质并通过交换玻色子发生相互作用。

  粒子物理

  研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质,和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支,又称高能物理学。量子力学、爱因斯坦的相对论等均属于粒子物理学的范畴。

  粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作用,例如以对撞机、粒子加速器、粒子探测器等为主要的探测手段。

  粒子与准粒子的关系

  粒子和准粒子的关系就像球员和球队的关系:一支足球队中每个球员可以看作是传统意义上的粒子,球员之间相互配合可以看作是粒子之间的非常复杂的相互作用,虽然每个球员都有自己的特点,但整体上球队却会表现出来一个统一的风格。

  凝聚态物理

  凝聚态物理学是从微观角度出发,研究由大量粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓,以万物皆成于原子为宗旨,以量子力学为基础研究各种凝聚态。比如我们所熟知的超导即属于此范畴。

  凝聚态物理学有力地促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等交叉学科的发展。与生产实践密切联系是它的另一重要特点。

  准粒子

  准粒子是凝聚态物理中一个重要概念,它是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法,也就是说把传统意义上的某种粒子的集体行为的某些表现,看作是一个粒子的行为,即准粒子。

  “天使粒子”的是怎么被发现的?

  1.研究团队将两种量子材料——一种超导体和一种磁拓扑绝缘体的薄膜堆叠在一起,其中,上层薄膜是一种超导体,底层则是一种拓扑绝缘体。

  2.整个仪器放在低温真空室里,让电流从中通过,由于底层是一种拓扑绝缘体,因此电流只会在其表面或边缘传导,而不经过其内部。它们在一起形成了一种超导—拓扑绝缘体,电子毫无阻力地沿着材料表面的两个边缘流动,如同高速公路上飞驰的汽车。

  3.研究人员在薄膜堆上扫过一块磁铁,通过添加少量的磁性材料来调整拓扑绝缘体,使电子沿着表面两边的电子沿着相反的方向流动。

  4.电子流动方向的变化并不连续,而是一步步地突然发生,就像在楼梯上的一级级台阶一样。在这个循环中的某些时刻,马约拉纳费米子的证据就出现了。它们成对地从超导层里诞生,像电子一样沿拓扑绝缘体的边缘流动。

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