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        “天使粒子”光芒綻放

        2018-01-05 08:44:18
        科學(xué)中國(guó)人 2017年25期
        關(guān)鍵詞:馬約費(fèi)米子拉納

        “天使粒子”光芒綻放

        什么是天使粒子?

        根據(jù)物理學(xué)定義,粒子指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)到400多種。按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系,將粒子分為3類,媒介子、輕子、強(qiáng)子。在物理學(xué)領(lǐng)域,構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì),也是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)?;玖W佑址譃閮煞N:費(fèi)米子和玻色子,分別以美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。

        東方西方哲學(xué)家都認(rèn)為,人類似乎生活在一個(gè)充滿正反對(duì)立的世界:有正數(shù)必有負(fù)數(shù),有存款必有負(fù)債,有陰必有陽,有善必有惡,有天使必有惡魔。1928年,偉大的理論物理學(xué)家狄拉克作出驚人的預(yù)言:宇宙中的每個(gè)基本粒子都有一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的反粒子——電荷相反的“雙胞胎”。當(dāng)粒子與反粒子相遇時(shí),它們會(huì)湮滅,同時(shí)釋放出一股能量。果然,幾年后第一個(gè)反物質(zhì)——電子的反粒子被發(fā)現(xiàn)。從此以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被認(rèn)為是絕對(duì)真理。

        然而,會(huì)不會(huì)存在一類沒有反粒子的粒子,或者說正反同體的粒子?

        1937年,另一位物理學(xué)家埃托里·馬約拉納就指出了一個(gè)反轉(zhuǎn):他預(yù)測(cè),在一類被稱為“費(fèi)米子”的粒子(包括了質(zhì)子、中子、電子、中微子和夸克)中,應(yīng)該有一些粒子,自己就是自己的反粒子。即我們今天所稱的“馬約拉那費(fèi)米子”。不幸的是,他本人做出這一猜測(cè)后在一次乘船旅行中神秘失蹤。自此以后,尋找這一神奇粒子成為了物理學(xué)家們夢(mèng)寐以求的探索目標(biāo)。

        大約10年前,科學(xué)家們意識(shí)到馬約拉納費(fèi)米子還可能在材料物理的實(shí)驗(yàn)中制造出來,于是,一場(chǎng)找到這種粒子的“競(jìng)賽”在學(xué)界拉開了帷幕。他們尋找的,其實(shí)是“準(zhǔn)粒子”。所謂準(zhǔn)粒子是復(fù)雜系統(tǒng)的一種物理現(xiàn)象,它雖然不是“真”的粒子,但是其行為就像是一個(gè)粒子。在超導(dǎo)材料中,許多電子的集合行為,就能產(chǎn)生出準(zhǔn)粒子。

        實(shí)際上,對(duì)于馬約拉納費(fèi)米子的尋找已經(jīng)從純粹的粒子物理的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟蹜B(tài)物理的方式。凝聚態(tài)物理學(xué)家認(rèn)為,調(diào)控固體材料中大量電子的集體運(yùn)動(dòng)模型,可以獲得“準(zhǔn)馬約拉納費(fèi)米子”。

        張首晟就是把研究的突破口轉(zhuǎn)向了凝聚態(tài)物理。從2010年到2015年,張首晟團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表3篇論文,精準(zhǔn)預(yù)言了實(shí)現(xiàn)馬約拉那費(fèi)米子的體系及用以驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方案。王康隆等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)依照張首晟的理論預(yù)測(cè),成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉那費(fèi)米子,為持續(xù)了整整80年的科學(xué)探索交出了一個(gè)里程碑式的成果。

        張首晟將這一新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉那費(fèi)米子命名為“天使粒子”,這個(gè)名字來源于丹·布朗的小說及其電影——《天使與魔鬼》。這部小說和電影描繪了一個(gè)驚人的后果,物質(zhì)世界中正反粒子的碰撞會(huì)將所有質(zhì)量以能量的形式釋放出,從而湮滅整個(gè)世界?!斑^去我們認(rèn)為有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我們找到了一個(gè)沒有反粒子的粒子,一個(gè)只有天使,沒有魔鬼的完美世界。”張首晟如是詮釋他這一頗具浪漫色彩的命名。而這一命名與被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子頗有對(duì)應(yīng)的意味。

        需要指出的是,此次宣布發(fā)現(xiàn)的“馬約拉納費(fèi)米子”并不是真正的粒子,更不是所謂的基本粒子,而是“準(zhǔn)粒子”,是作為固態(tài)系統(tǒng)中簡(jiǎn)化多體問題的手段之一而引入的數(shù)學(xué)模型。

        對(duì)此,文章的第一作者、加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的何慶林這樣解釋他們這次的研究發(fā)現(xiàn):“本次研究是利用了反常量子霍爾絕緣體與超導(dǎo)體的耦合機(jī)制而形成一種新的拓?fù)淞孔討B(tài),稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)體。UCLA團(tuán)隊(duì)利用分子束外延技術(shù),制備了只有6納米厚的反常量子霍爾絕緣體薄膜,然后在表層沉積超導(dǎo)體后將樣品冷卻至接近絕對(duì)零度,通過外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)的調(diào)控,測(cè)試樣品的量子電導(dǎo),來證明了具有馬約拉納費(fèi)米子激發(fā)的輸運(yùn)態(tài),并且世界上首次實(shí)現(xiàn)其粒子的量子化,因此這一工作是世界上首次實(shí)驗(yàn)證明這種粒子存在的最有力證據(jù)?!?/p>

        文章的共同第一作者、加州大學(xué)洛杉磯分校的潘磊表示:“馬約拉納費(fèi)米子本來是一個(gè)高能物理概念,是一種有質(zhì)量的基本粒子,很多人認(rèn)為中微子就是馬約拉納費(fèi)米子。這里要說明,現(xiàn)在所有的發(fā)現(xiàn),都不是真正看到了馬約拉納費(fèi)米子,而是發(fā)現(xiàn)了‘符合馬約拉納費(fèi)米子性質(zhì)的激發(fā)態(tài)’?!?/p>

        中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼對(duì)此評(píng)價(jià)說,這個(gè)發(fā)現(xiàn)不是基本粒子,而是在極低溫條件之下以及二維材料的邊界上造成的某種量子態(tài),這個(gè)態(tài)滿足中性粒子的要求,即其反態(tài)就是自身。鑒于這種量子態(tài)需要極端條件,距離應(yīng)用還比較遠(yuǎn),如果用一句大白話來解釋,就是“凝聚態(tài)物理還沒有攻陷粒子物理”。

        “天使粒子”是怎么被發(fā)現(xiàn)的?

        雖然張首晟團(tuán)隊(duì)2015年就預(yù)言,如果在磁性拓?fù)浣^緣體上面再疊加一個(gè)超導(dǎo)體,就會(huì)組成拓?fù)涑瑢?dǎo)體,由此將找到“天使粒子”,但是,將磁性的拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)體疊加并不簡(jiǎn)單。

        論文共同通訊作者、上??萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授寇煦豐說,磁性拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體這兩個(gè)材料會(huì)互相影響,要找到一個(gè)準(zhǔn)確窗口,讓這兩個(gè)對(duì)抗的材料互不干擾非常難。最終,在美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校和洛杉磯分校的共同努力下,合成了這種疊加器件。

        經(jīng)歷了一次次無功而返和對(duì)材料參數(shù)的不斷優(yōu)化,王康隆團(tuán)隊(duì)終于抓到了機(jī)遇窗口,在電學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中成功觀測(cè)到了張首晟團(tuán)隊(duì)理論預(yù)言的“半整數(shù)量子臺(tái)階”,也是“天使粒子”存在的證據(jù)。

        “第一次觀測(cè)到‘天使粒子’時(shí),驚喜而振奮!這是大自然對(duì)孤獨(dú)者的獎(jiǎng)賞?!睆埵钻苫貞?,論文送審期間,他們還在不斷復(fù)盤,確保結(jié)論經(jīng)得住檢驗(yàn)。

        王康隆說,“審稿人審了整整一年,他們每提出一個(gè)疑問,我們都會(huì)用30多頁紙回復(fù)。為此,我們?cè)黾恿撕芏嘌a(bǔ)充實(shí)驗(yàn)?!?/p>

        圖片來源于科學(xué)漫畫sheldon42

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要貢獻(xiàn)人、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的王康隆也說,“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)是“偶然中的驚喜”?!拔覀冏畛醯脑O(shè)想是找到一種理想的拓?fù)浣^緣體薄膜材料,因此累積生產(chǎn)了3000多片薄膜,但在實(shí)驗(yàn)過程中,我們發(fā)現(xiàn)這套設(shè)計(jì)方案非常適合觀測(cè)‘天使粒子’,所以做了重新規(guī)劃?!?/p>

        實(shí)驗(yàn)中,幾位物理學(xué)家把一種由金和鈮組成的固體作成薄片,夾在另一種由碲銻鉍鉻組成的固體薄片中間(即量子反常霍爾絕緣體,當(dāng)它與前面的薄片結(jié)合后,在一定條件下可變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體),然后降溫到絕對(duì)零度附近,再加上電場(chǎng)和磁場(chǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在這兩個(gè)二維固體的一維邊界上,電子突然開始按照一種特殊的方式轉(zhuǎn)圈了。其背后的數(shù)學(xué),和馬約拉納費(fèi)米子的數(shù)學(xué)存在相似之處。

        簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟:

        1.研究團(tuán)隊(duì)將兩種量子材料——一種超導(dǎo)體和一種磁拓?fù)浣^緣體的薄膜堆疊在一起,其中,上層薄膜是一種超導(dǎo)體,底層則是一種拓?fù)浣^緣體。

        2.整個(gè)儀器放在低溫真空室里,讓電流從中通過,由于底層是一種拓?fù)浣^緣體,因此電流只會(huì)在其表面或邊緣傳導(dǎo),而不經(jīng)過其內(nèi)部。它們?cè)谝黄鹦纬闪艘环N超導(dǎo)—拓?fù)浣^緣體,電子毫無阻力地沿著材料表面的兩個(gè)邊緣流動(dòng),如同高速公路上飛馳的汽車。

        3.研究人員在薄膜堆上掃過一塊磁鐵,通過添加少量的磁性材料來調(diào)整拓?fù)浣^緣體,使電子沿著表面兩邊的電子沿著相反的方向流動(dòng)。

        4.電子流動(dòng)方向的變化并不連續(xù),而是一步步地突然發(fā)生,就像在樓梯上的一級(jí)級(jí)臺(tái)階一樣。在這個(gè)循環(huán)中的某些時(shí)刻,馬約拉納費(fèi)米子的證據(jù)就出現(xiàn)了。它們成對(duì)地從超導(dǎo)層里誕生,像電子一樣沿拓?fù)浣^緣體的邊緣流動(dòng)。

        這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要意義

        這個(gè)發(fā)現(xiàn)是否重要?可以肯定地說:是的。最直觀的,我們手機(jī)、電腦等的使用本質(zhì)上都是在操縱電子。而這種新型的操縱電子的方式,將有助于發(fā)明一種比普通量子計(jì)算機(jī)抗干擾能力更強(qiáng)的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。

        “天使粒子”的發(fā)現(xiàn),對(duì)構(gòu)建拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)意義重大。世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)100年才能完成的計(jì)算量,拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)0.01秒就能完成。盡管計(jì)算效率驚人,但業(yè)界認(rèn)為,量子計(jì)算距離真正應(yīng)用至少要50年,因?yàn)榭茖W(xué)家還沒找到合適的量子計(jì)算材料。

        “天使粒子”的發(fā)現(xiàn)破解了這一難題。此外,“天使粒子”還將推動(dòng)人工智能實(shí)現(xiàn)“量子的跳躍”,“人工智能的核心是算法。如果依托量子計(jì)算機(jī)開展運(yùn)算,人工智能就可以將以前多個(gè)步驟才能完成的計(jì)算簡(jiǎn)化為一步,從而最快找到最優(yōu)化解決途徑,這將引發(fā)各行各業(yè)的深刻變革。

        另據(jù)上海交通大學(xué)教授賈金鋒介紹,暗物質(zhì)出來以后,有理論預(yù)言暗物質(zhì)的備選粒子也是馬約拉納費(fèi)米子,所以如果能夠找到馬約拉納費(fèi)米子,也將有助于人們理解暗物質(zhì)。

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