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华人科学家找到“天使粒子”存在的铁证!
选择字体:      科技日报  发布时间:2017-07-24

王康隆教授谈发现“天使粒子”实验过程

坚持的回报 意外的惊喜

王康隆教授谈发现“天使粒子”实验过程

何庆林(左)、王康隆(中)、潘磊(右)在位于加州大学洛杉矶分校的实验室。

图片由王康隆提供

  《达芬奇密码》作者丹·布朗创作的另一部畅销小说《天使与魔鬼》,反物质是故事的主要载体。故事主人公是欧洲核子研究中心(CERN)的著名科学家,他在地下实验室秘密制造出的反物质不翼而飞,可能会因自行爆炸将整座城市毁灭。在失踪的24小时内,主人公与盗取反物质的势力展开了斗智斗勇的冒险之旅。

  7月21日被华人科学家团队首次发现并公布的马约拉纳费米子,张首晟根据《天使与魔鬼》的内容将其称为“天使粒子”。他指出,在马约拉纳费米子的“量子世界”中,只有天使,没有魔鬼。但主导这次研究的加州大学洛杉矶分校教授王康隆,接受科技日报记者采访时认为,马约拉纳费米子正反同体,就像道家的阴阳八卦图一样,因此叫“太极粒子”可能更贴切。

  王教授表示,这次发现是实验室13年来在材料和物理现象的基础研究领域长期坚持的结果,是准备了大量的实验材料,做了大量的前期研究后,才一步步实现的。“对我们团队而言,这是一个意外的惊喜。”

  正反同体 神秘莫测

  标准物理理论模型中,12种基本粒子被分成两大家族:电子、质子等8种粒子组成的费米子家族和光子、介子等4种粒子组成的玻色子家族。一般认为,每一种粒子都有其反粒子,且状态与粒子本身相反,粒子与反粒子相遇会瞬间湮灭。

  但1937年,埃托雷·马约拉纳预言,有一类特殊的费米子,像光子等玻色子一样,它们的反粒子就是自身,这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。离奇的是,就在马约拉纳作出这一重大预测不久,他给家人和单位分别留下一封短信,带着预支的半年薪水和所有科研资料,踏上一艘船后神秘失踪。80年来,马约拉纳费米子与马约拉纳本人,分别成为物理学家们和科幻小说的神秘主角,只是关于马约拉纳的结局更多的是炒作,如“被外星人接走了”;至于马约拉纳费米子,经过几代物理人的努力,笼罩在其头上的“面纱”一点点被揭开。

  时隔80载终现身

  近80年来,世界各国物理学家从来没有停止过对“天使粒子”的探寻。科学家们相信,中微子可能就是自己的反粒子。目前,包括美国新墨西哥州浓缩氙观测站实施的EXO-200等四个大型实验正在搜寻中微子,但由于中微子不带电、质量极小,被称为宇宙中的“隐身人”,这些寻找天然基本粒子的实验难度非常大,估计十年内也不会通过这些实验为“天使粒子”找到答案。

  直到10年前,科学家们在探索材料物理学的一些实验中发现,有些材料内可能产生“天使粒子”。于是,科学家们在另一个“战场”开始了搜寻“天使粒子”的竞赛:由超导材料中电子集体行为产生的粒子式激发,称为“准粒子”。虽然准粒子不像自然界的基本粒子,但它们仍被认为是真正的马约拉纳费米子。

  这次研究中,加州大学洛杉矶分校王康隆团队根据自己在拓扑材料领域10多年的积累,与多位华人科学家合作,在真空冷藏室内,将底部的拓扑绝缘体材料和上面的超导体薄膜堆叠在一起,形成一种超导拓扑绝缘体,通过添加少量磁性材料,让电子只沿着拓扑绝缘体表面的一个边缘单向流动。再向堆叠的薄膜上扫过一块磁铁,不断调整电子的流动速度和方向,在某些时刻,他们观察到马约拉纳费米子从超导层里出现,像电子一样沿着拓扑绝缘体的边缘流动,只是迈出的每一“步”,高度只有电子每步的一半。这些“半步”,就是研究人员一直在寻找的马约拉纳费米子存在的铁证。

  王康隆教授表示,他们最初做实验时,并没有计划一定要找到这个特別的粒子。2008年,他们开始拓扑绝缘体的研究,最初是为了探索这种材料能否应用于低功耗电子芯片的开发。因为理论预测指出,马约拉那费米子可能存在于一种量子线和普通超导体薄膜组成的混合器件中,他们课题组才开始探寻神秘的马约拉纳费米子。

  制造量子计算机的完美选择

  这次发现的马约拉纳费米子是一种手性粒子,“手性”可大致理解为这种粒子只沿一个方向运动,可用来实现低能耗的信息传输和处理。

  2016年6月,上海交通大学贾金锋课题组及其合作者在《物理评论快报》上发表论文指出,他们在拓扑绝缘体和超导体形成的拓扑超导体界面中,观察到特有的自旋极化电流,为一维马约拉纳费米子的存在提供了确凿证据。

  而这次研究中,王康隆主导的团队首次在二维空间观察到手性马约拉纳费米子的量子态,且在不同的样品中能重复观测。由于这次发现的是在二维边界上延伸的手性模式,可用于传输,这对凝聚态中马约拉纳费米子的研究和应用将起到很大的推动作用。

  王康隆告诉科技日报记者,马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择。与现在量子计算机面临的最大障碍——被环境噪音干扰不同,未来量子计算机的每个量子比特信息可以用两个相距很远的“天使粒子”存储,这样背景噪音就不可能对它们造成破坏,它们携带的信息也不会丢失。

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