张首晟  "天使粒子"马约拉纳费米子

张首晟

凤凰科技讯 北京时间7月21日消息，美国斯坦福大学物理学教授张首晟及其团队今天凌晨在《科学》杂志上发表了一项重大发现：在历经80年的探索之后，他们终于发现了“马约拉纳费米子”（Majorana fermion）的存在。

改变世界基础物理

1928年，英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）做出了一项惊人预测，即宇宙中每个基本的粒子必然有相对应的反粒子。当粒子和反粒子相撞时，它们会相互湮灭，进而释放出能量。果不其然，几年后科学家发现了第一个反物质粒子（即电子的反粒子正电子），反物质很快就成了流行文化的一部分。

但在1937年，另一位著名物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）提出了一个新的理论：他预测在一个名为费米子（包括质子、中子、电子、中微子和夸克）的粒子类别中，应该存在一类自身没有反粒子的粒子。

一个包括斯坦福大学科学家在内的研究小组如今表示，他们已经发现了马约拉纳费米子存在的确凿证据。斯坦福大学与加州大学联手在实验室对奇特的物质进行了一系列实验，最终获得了这一发现。

这一研究小组由加州大学欧文分校副教授夏晶和加州大学洛杉矶分校教授王康隆领导，他们根据斯坦福大学物理学教授张首晟及其同事提议的计划实施了这项研究。该小组在7月20日出版的《科学》杂志上发表了他们的研究成果。

作为著名理论物理学家、这篇研究论文的高级作者之一，张首晟表示：“我们的团队准确地预测了找到马约拉纳费米子的地方，以及寻找哪些东西作为这种粒子存在的确凿证据。这一发现终结了基础物理学领域最全面的科学探寻之一，而这种探寻跨越了80年。”

张首晟还表示，对马约拉纳费米子的寻找更多是出于知识层面的考虑，但这种探索对开发性能可靠的量子计算机具有现实意义，尽管这种未来距离我们还十分遥远。

张首晟研究团队观察到一种被称为“手性”费米子的特殊马约拉纳费米子，因为它仅沿着一个方向的一维通路移动。研究人员表示，尽管产生“手性”马约拉纳费米子的实验非常难以设计和实施，但它们产生的信号是准确无误的。

斯坦福线性加速器中心（SLAC）下属国家加速器实验室材料与能源科学研究所（SIMES）主任汤姆·德沃勒乌克斯（Tom Devereaux）表示：“这项研究标志着对手性马约拉纳费米子的多年探寻达到了高潮。”张首晟是SLAC国家加速器实验室的首席研究人员。

张首晟团队提出的搜寻手性马约拉纳费米子的实验平台

麻省理工学院理论物理学家、诺贝尔奖得主弗兰克·威尔茨克（Frank Wilczek）表示：“这似乎是对全新事物的清晰观察”，他没有参与这项研究。“这一点儿都不奇怪，因为物理学家已经思考很长一段时间了，即马约拉纳费米子可能存在于这项实验使用的材料中。但是，他们把以前从未被放在一起的几个元素结合了起来，以这种清晰且可靠的方式来观察这种新型量子粒子，称得上是真正的里程碑。”

寻找“准粒子”

马约拉纳的预测仅适用于不含电荷的费米子，如中子和中微子。科学家已经发现了中子的反粒子，但他们有充分的理由相信中微子可能就是自己的反粒子，目前还有四个实验正在进行中，包括在美国新墨西哥州浓缩氙观测站（Enriched Xenon Observatory）实施的EXO-200项目。但是，这些实验的难度非常大，估计十年内都不会有答案。

大约10年前，科学家意识到在探索材料物理学的一些实验中，也可能会产生马约拉纳费米子，于是一场寻找马约拉纳费米子的竞赛开始了。他们一直在寻找的是“准粒子”——由超导材料中电子的集体行为产生的粒子式激发，其以100%的效率传导电力。

根据爱因斯坦著名的E = mc2方程式，产生这些准粒子的过程类似于能量在真空中变成短命“虚拟”粒子并再次变回能量的方式。虽然准粒子不像自然界中发现的粒子，但它们仍然被认为是真正的马约拉纳费米子。

在过去五年里，科学家通过这种方法取得了一些成功，并且报告说他们在涉及超导纳米线的实验中看到了马约拉纳费米子签名。但张首晟表示，在这些情况下，准粒子遭到“束缚”——被固定在一个特定的地方，而不是在空间和时间上传播，因此很难判断其他作用产生的影响是不是研究人员看到的信号。

发现确凿证据

在加州大学洛杉矶分校和加州大学欧文分校的最新实验中，研究小组将两个量子材料（超导体和磁拓扑绝缘体）的薄膜堆叠在一起，并将电流通过它们全部导入冷藏真空室。

最上面的薄膜是超导体，底部则是一种拓扑绝缘体，它仅沿着表面或边缘传导电流，而不是通过中间。将它们放在一起，就形成了一种超导拓扑绝缘体，电子沿着没有阻力的材料表面的两个边缘活动，就好比高速公路上的汽车。

张首晟的想法是通过添加少量磁性材料来调整拓扑绝缘体。这使得电子沿着表面的一个边缘单向流动，然后再沿着相反的边缘反向流动。然后，研究人员在堆叠的薄膜上扫过一块磁铁。这使得电子的流动变慢，停止并改变方向。这些变化并不稳定，但发生在陡峭的台阶上，就像是楼梯上的相同台阶一样。

在这种循环的某些阶段，马约拉纳准粒子出现了——成对出现在超导层之外，像电子一样沿着拓扑绝缘体的边缘传播。每对准粒子中都有一个成员偏离轨道，使得研究人员可以轻松测量单个准粒子的流动。像电子一样，它们的速度突然减慢，停止并改变了方向。这些恰恰是研究人员一直在寻找的确凿证据。

斯坦福大学物理学教授希奥尔希奥·格雷塔（Giorgio Gratta）曾在设计和规划EXO-200方面发挥了重要作用，他表示这些实验结果不太可能对确定中微子是否是其自身反粒子的努力产生影响。

格雷塔说：“他们观察到的准粒子基本上是在一种表现为马约拉纳粒子的材料中的激发。但是它们不是基本粒子，而是以人造的方式在一个专门准备的材料中制造出来的。这种情况不可能发生在宇宙中。另一方面，中微子无处不在，如果它们被发现是马约拉纳粒子，我们将会用行动证明，大自然不仅使得这种粒子成为可能，而且已经用它们填满了宇宙。”

他补充说：“更令人感兴趣的是，物理学中的类比已经证明是非常强大的证据，即使它们是非常不同的东西、非常不同的过程，也许我们可以用其中一个来理解另一个，我们可能会发现一些我们也觉得有趣的东西。”

“天使粒子”

张首晟，将来马约拉纳费米子可以用来构建功能强大的量子计算机，而这些量子计算机没有被环境噪声所淹没。由于每个马约拉纳费米子基本上只相当于亚原子粒子的一半，所以一个量子位的信息量可以存储在两个独立的马约拉纳费米子中，进而减少了一些可能扰乱它们的机会，同时也使得它们丢失了自身所携带的信息。

张首晟暂时参考2000年畅销书《天使与魔鬼》（Angels and Demons）的内容，将其团队发现的手性马约拉纳费米子命名为“天使粒子”（angel particle）。在这部畅销书中，一个秘密组织计划用定时炸弹炸毁梵蒂冈，而这颗炸弹的威力来自于物质与反物质湮灭产生的反应。张首晟指出，与书中情节不同的是，在马约拉纳费米子的“量子世界”中，只有天使，没有魔鬼。（编译/清辰）

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