據(jù)文匯報(bào)消息 世界物理學(xué)界探尋了近80年“天使粒子”———手性馬約拉納費(fèi)米子，終于被三位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)“捕獲”。北京時(shí)間昨天凌晨，美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授王康隆、斯坦福大學(xué)教授張首晟、上海科技大學(xué)教授寇煦豐團(tuán)隊(duì)聯(lián)袂在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表這一重大發(fā)現(xiàn)。
這一成果由加州大學(xué)洛杉磯分校王康隆、何慶林實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)。他們?cè)陬}為《量子反常霍爾絕緣體—超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的手性馬約拉納費(fèi)米子模式》的論文中宣稱，成果驗(yàn)證了由意大利理論物理學(xué)家馬約拉納80年前提出的預(yù)測(cè)———存在一類沒有反粒子的粒子，同時(shí)也證明了存在一種比量子還小的單位，這將對(duì)現(xiàn)在的量子理論帶來巨大的改變。
實(shí)驗(yàn)靈感來自張首晟的預(yù)言
1928年，英國理論物理學(xué)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(gè)基本粒子必然有相對(duì)應(yīng)的反粒子。這一預(yù)言在1932年被美國物理學(xué)家安德森在研究宇宙射線時(shí)證明。從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認(rèn)為是永恒不變的真理。
但是，1937年馬約拉納提出猜測(cè)：會(huì)不會(huì)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。這種粒子后來被物理學(xué)界稱為馬約拉納費(fèi)米子。自那時(shí)起，許多科學(xué)家一直在尋找這樣的粒子。
當(dāng)代物理學(xué)存在兩大熱門分支，即粒子物理和凝聚態(tài)物理。
據(jù)張首晟介紹，在粒子物理中，標(biāo)準(zhǔn)模型范疇外的中微子被認(rèn)為最可能是馬約拉納費(fèi)米子，而且這一猜測(cè)有可能被“無中微子的beta雙衰變”實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所要求的精度或許在今后一二十年內(nèi)都難以達(dá)到。
而在凝聚態(tài)物理中，馬約拉納費(fèi)米子有可能作為某些新奇量子基態(tài)上的準(zhǔn)粒子或元激發(fā)而存在。
2010年至2015年，張首晟團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表三篇論文，精準(zhǔn)預(yù)言了在哪里能夠找到馬約拉納費(fèi)米子，繼而指出哪些實(shí)驗(yàn)信號(hào)能夠作為確鑿的證據(jù)。
參與此課題的寇煦豐教授昨天在接受本報(bào)記者采訪時(shí)提到，加州大學(xué)洛杉磯分校和上�？萍即髮W(xué)團(tuán)隊(duì)正是在張首晟2015年理論工作的基礎(chǔ)上獲得了靈感，通過與加州大學(xué)爾灣分校和斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)的緊密合作，制備出量子反�；魻栃�(yīng)薄膜和超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件，并在實(shí)驗(yàn)中成功捕捉到了手性馬約拉納費(fèi)米子的存在。
他們?cè)谕ǔ５恼麛?shù)量子平臺(tái)之外，探測(cè)到了張首晟團(tuán)隊(duì)預(yù)言的半整數(shù)量子平臺(tái)。隨后的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與三端電阻測(cè)量有力地排除了其他可能的實(shí)驗(yàn)噪聲與假象。
改寫基礎(chǔ)理論，應(yīng)用前景可期
根據(jù)著名的愛因斯坦質(zhì)能方程式E=mc2，當(dāng)一個(gè)粒子遇上它的反粒子時(shí)，它們會(huì)相互湮滅從而將所有質(zhì)量釋放出來成為能量。丹·布朗的小說及同名電影《天使與魔鬼》就描述過這種正反粒子湮滅爆炸的場(chǎng)景。而馬約拉納費(fèi)米子則沒有正反之分，這也是為什么張首晟稱此次發(fā)現(xiàn)的是“天使粒子”的原因。他認(rèn)為，“天使粒子”最重要的意義是改變了基礎(chǔ)物理中有正必有反的理論，也改變了人們一直認(rèn)知的正反對(duì)立的世界觀。
而且，不同于其他基本科學(xué)從發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要?dú)v時(shí)多年，張首晟昨天在接受記者采訪時(shí)表示，“天使粒子”實(shí)際應(yīng)用的前景可期。
量子世界本質(zhì)上是并行的，一個(gè)量子粒子能夠同時(shí)穿過兩個(gè)狹縫。所以量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的量子計(jì)算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效。然而，一個(gè)量子比特的信息存儲(chǔ)起來非常困難，微弱的環(huán)境噪聲都能夠毀滅其量子特性。但馬約拉納費(fèi)米子沒有反粒子，馬約拉納費(fèi)米子本身只相當(dāng)于半個(gè)傳統(tǒng)粒子，這便提供了一種絕妙的可能性：一個(gè)量子比特能夠存儲(chǔ)在兩個(gè)距離十分遙遠(yuǎn)的馬約拉納費(fèi)米子上。
如此一來，傳統(tǒng)的噪聲極難同時(shí)以同樣方式影響這兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子，進(jìn)而毀滅所存儲(chǔ)的量子信息。相較于傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式，比如電子自旋、超導(dǎo)磁通和光子極化，存儲(chǔ)在遠(yuǎn)離的兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子上的拓?fù)淞孔颖忍�，本質(zhì)上極其穩(wěn)固。
張首晟團(tuán)隊(duì)所提出的器件同時(shí)還是二維體系，從而允許馬約拉納費(fèi)米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計(jì)算成為可能。
“事實(shí)上，不論此次發(fā)現(xiàn)的馬約拉納粒子，還是我們?cè)?jīng)發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子，都不是傳統(tǒng)意義上的粒子，而是一種準(zhǔn)粒子，但它同樣符合馬約拉納的預(yù)言。”上海交通大學(xué)教授賈金鋒在接受記者采訪時(shí)說。
準(zhǔn)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(tǒng)意義上某種粒子集體行為的某些表現(xiàn)，看作是一個(gè)粒子的行為。這樣可以簡(jiǎn)化模型，便于正確表述某些具體物理現(xiàn)象背后的機(jī)理。
“粒子和準(zhǔn)粒子就像球員和球隊(duì)的關(guān)系。”賈金鋒比喻說，“我們可能不了解隊(duì)中每個(gè)球員的特點(diǎn)以及球員之間的配合情況，但整支球隊(duì)卻像一個(gè)準(zhǔn)粒子一樣，可以比較簡(jiǎn)單地被認(rèn)識(shí)。而且，恰恰是這類準(zhǔn)粒子，才會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的應(yīng)用，而自然存在的粒子的發(fā)現(xiàn)則更多地能夠滿足人類對(duì)自然的理解�！�
編輯：
林馥榆
關(guān)鍵詞：
上海;天使粒子;物理
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