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苦寻80年,马约拉纳粒子终被华人科学家发现

7月21日,《科学》杂志刊登了斯坦福大学张首晟团队领导的一项重要研究,他们发现了物理学家马约拉纳80年前提出的一类神秘粒子。

物理学中有一份表单,囊括了那些人类梦寐以求的神秘粒子,其中就有希格斯波色字,也就是最近在欧洲粒子加速器中被发现的“上帝粒子”,表单中还有引力子、磁单极、暗物质和马约拉纳费米子,相较其他粒子而言,马约拉纳费米子或许更加神秘。

 

1928年,伟大的理论物理学家狄拉克作出惊人的预言:宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。几年之后,正电子果然在宇宙射线中被发现,验证了有史以来最伟大的理论预言之一。目前,正电子被广泛应用到人类生活之中,医学影像技术PET(Positron Emission Tomography, 正电子发射断层扫描) 就是其中之一,现在已经用于早期老年痴呆症的检测。

 

当一个粒子遇上它的反粒子时,根据爱因斯坦E=mc2的质能公式,它们会相互湮灭从而将所有质量释放出成能量。丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》就描述过这样的正反粒子湮灭爆炸的场景。张首晟十分喜欢这本小说,也是“天使粒子”命名的灵感来源。

 

从此以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。但是会不会有这样一类没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子?1937年,也就是整整八十年前,伟大而神秘的意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)猜测有这样神奇粒子的存在,这也就是我们今天所称的马约拉纳费米子,而马约拉纳本人在文章泄露天机之后不久就失踪而从此销声匿迹了,这位传奇的意大利理论物理学家一生只写过10篇文章。

 

从那时起,寻找这一神奇粒子也就成了物理学中许多领域研究工作的崇高目标。粒子物理中,标准模型范畴之外的中微子可能是马约拉纳费米子;这一猜测有可能被无中微子的β双衰变实验所验证。可惜的是,虽然物理学家已经设计建造了这类实验装置,但暂时还都没有收获。不过,凝聚态物理中却给寻找马约拉纳费米子打开了另一扇窗口,在这个领域,马约拉纳费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在


凝聚态物理学关心的是晶体等材料里面电子的状态和运动规律。与在真空中运动的电子不同,晶体中电子所处的环境极为复杂——排列在晶格中的原子核和周围的其他电子都在对它施加作用。无数粒子的相互作用纠结在一起,构成了极为复杂的多体问题。要解决这样的问题,就要把这些粒子作为整体来处理,全盘考虑粒子的集体行为。


这样一来,粒子的集体行为,有时候等效于一个单独粒子的活动,这个粒子就是准粒子。例如,晶体中的电子会受到其他带电粒子的拉扯推动,其运动实际上是大量粒子共同作用的结果,但我们可以把它看成一个在真空中运动的粒子,其他粒子的作用相当于改变了这个电子的质量。这样的话,描述这个电子的狄拉克方程,形式也发生了变化,质量项不再是电子本身的质量了。这种质量不同于电子的粒子,就是准粒子。还有,在半导体中,当许多电子集体朝一个方向运动时,看上去仿佛是少量带正电的粒子在向反方向移动,这样的空穴也是一种准粒子。


凝聚态物理中的准粒子还有很多种,利用准粒子,研究者可以简化通常情况下非常复杂的多体问题。固体材料的成分和结构的变化是无穷无尽的,准粒子也有近乎无限的可能。现在,凝聚态物理学家甚至可以根据某种准粒子应当具备的性质,设计出含有这种粒子的材料,包括马约拉纳费米子。或许这种马约拉纳费米子并不是我们想象中的“基本粒子”,但如果存在更深层次的物理理论,那些基本粒子其实并不见得比准粒子更基本。当把整个宇宙视为某种物理材料时,所有的基本粒子也都可以看成是这种材料中的准粒子。


 

2010到2015年期间,张首晟与其团队连续发表三篇论文,精准预言了在哪里能够找到马约拉纳费米子,继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。他们预言手性马约拉纳费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。在以往的量子反常霍尔效应实验中,随着调节外磁场,反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台,对应着1,0,-1倍基本电阻单位e2/h。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时,临近效应使之能够实现手性马约拉纳费米子,相应的实验中会多出全新的量子平台,对应½倍基本电阻单位e2/h。这半个基本电阻来源于马约拉纳费米子没有反粒子,所以某种意义上它可以视为半个传统粒子。所以,这多出来的半整数量子平台就提供了有力的证据,证明在时空中传播的手性马约拉纳费米子的存在。

 

根据这一理论预言,来自UCLA(由何庆林、王康隆教授领导)和UC Irvine(由夏晶教授领导)的两个实验团队与Stanford大学张首晟教授的理论团队紧密合作,最终在所提出的器件中实验上发现了手性马约拉纳费米子。他们在GaAs(111)衬底上制备了反常量子霍尔效应薄膜,并将Nb普通超导层覆盖其上。调节外磁场时,在通常的整数量子平台之外,他们令人信服的探测到了张首晟团队预言的半整数量子平台。随后的强磁场实验与三端电阻测量进而有力的排除了其他可能的实验噪声与假象。

 

类比描述正反粒子湮灭爆炸的小说《天使与魔鬼》,张首晟提出这一新发现的手性马约拉纳费米子应该称为天使粒子:我们发现了一个完美的世界,那里只有天使,没有魔鬼。


张首晟团队提出的搜寻手性马约拉纳费米子的实验平台:由反常量子霍尔效应薄膜跟置于其上的普通超导体薄膜组成的混合器件。


马约拉纳费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机。量子世界本质上是并行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算,远比经典计算机有效。然而,一个量子比特的信息非常难以存储,微弱的环境噪声都能够引起退相干从而毁灭其量子特性。马约拉纳费米子没有反粒子,或者说相当于半个传统粒子,便提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。如此一来,传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子,毁灭所存储的量子信息,使通常非常脆弱的量子比特变为稳固。

 

相较于传统的存储方式,比如电子自旋,超导磁通和光子极化,这样存储在远离的两个马约拉纳费米子上的拓扑量子比特,本质上极其稳固。张首晟团队所提出的器件同时还是二维体系,从而允许马约拉纳费米子的纠缠和编辫,使得有效的量子计算成为可能,天使粒子可使已经被认为是最小单位的量子拆成两半,让量子变得更稳定,该项研究已经可以开始应用,张首晟表示微软和谷歌已经提供了支持,未来在国内也会开始进行应用。


UCLA和UCIrvine实验团队在与张首晟理论团队合作下所测量到的与理论预测符合的半量子电导平台,这为手性马约拉纳费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。

  

从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间,张首晟教授表示:“基本科学的发现最终总会造福人类,需要有足够的耐心。探寻宇宙、自然深刻规律时,对于天使粒子巡游的量子天堂充满了兴奋与期待,拓扑量子计算能够解决当下人类面对最艰难的一些问题,从而迎来一个完美世界。

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