“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)。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費米和印度物理學(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充滿正反對立的世界：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：宇宙中的每個基本粒子都有一個與其對應(yīng)的反粒子——電荷相反的“雙胞胎”。當(dāng)粒子與反粒子相遇時，它們會湮滅，同時釋放出一股能量。果然，幾年后第一個反物質(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)為是絕對真理。

然而，會不會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反轉(zhuǎn)：他預(yù)測，在一類被稱為“費米子”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“馬約拉那費米子”。不幸的是，他本人做出這一猜測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)家們夢寐以求的探索目標(biāo)。

大約10年前，科學(xué)家們意識到馬約拉納費米子還可能在材料物理的實驗中制造出來，于是，一場找到這種粒子的“競賽”在學(xué)界拉開了帷幕。他們尋找的，其實是“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。

實際上，對于馬約拉納費米子的尋找已經(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)動模型，可以獲得“準(zhǔn)馬約拉納費米子”。

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)隊連續(xù)發(fā)表3篇論文，精準(zhǔn)預(yù)言了實現(xiàn)馬約拉那費米子的體系及用以驗證的實驗方案。王康隆等實驗團(tuán)隊依照張首晟的理論預(yù)測，成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉那費米子，為持續(xù)了整整80年的科學(xué)探索交出了一個里程碑式的成果。

張首晟將這一新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”，這個名字來源于丹·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驚人的后果，物質(zhì)世界中正反粒子的碰撞會將所有質(zhì)量以能量的形式釋放出，從而湮滅整個世界。“過去我們認(rèn)為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使，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)中簡化多體問題的手段之一而引入的數(shù)學(xué)模型。

對此，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零度，通過外加電場和磁場的調(diào)控，測試樣品的量子電導(dǎo)，來證明了具有馬約拉納費米子激發(fā)的輸運(yùn)態(tài)，并且世界上首次實現(xiàn)其粒子的量子化，因此這一工作是世界上首次實驗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：“馬約拉納費米子本來是一個高能物理概念，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米子，而是發(fā)現(xiàn)了‘符合馬約拉納費米子性質(zhì)的激發(fā)態(tài)’?！?/p>

中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼對此評價說，這個發(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2015年就預(yù)言，如果在磁性拓?fù)浣^緣體上面再疊加一個超導(dǎo)體，就會組成拓?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)體這兩個材料會互相影響，要找到一個準(zhǔn)確窗口，讓這兩個對抗的材料互不干擾非常難。最終，在美國加利福尼亞大學(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材料參數(shù)的不斷優(yōu)化，王康隆團(tuán)隊終于抓到了機(jī)遇窗口，在電學(xué)測量實驗中成功觀測到了張首晟團(tuán)隊理論預(yù)言的“半整數(shù)量子臺階”，也是“天使粒子”存在的證據(jù)。

“第一次觀測到‘天使粒子’時，驚喜而振奮！這是大自然對孤獨者的獎賞?！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。

王康隆說，“審稿人審了整整一年，他們每提出一個疑問，我們都會用30多頁紙回復(fù)。為此，我們增加了很多補(bǔ)充實驗?！?/p>

圖片來源于科學(xué)漫畫sheldon42

實驗設(shè)計的主要貢獻(xiàn)人、美國加利福尼亞大學(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，但在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)這套設(shè)計方案非常適合觀測‘天使粒子’，所以做了重新規(guī)劃?！?/p>

實驗中，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?；魻柦^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），然后降溫到絕對零度附近，再加上電場和磁場。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這兩個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)，和馬約拉納費米子的數(shù)學(xué)存在相似之處。

簡述實驗步驟：

1.研究團(tuán)隊將兩種量子材料——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，因此電流只會在其表面或邊緣傳導(dǎo)，而不經(jīng)過其內(nèi)部。它們在一起形成了一種超導(dǎo)—拓?fù)浣^緣體，電子毫無阻力地沿著材料表面的兩個邊緣流動，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。

4.電子流動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級臺階一樣。在這個循環(huán)中的某些時刻，馬約拉納費米子的證據(jù)就出現(xiàn)了。它們成對地從超導(dǎo)層里誕生，像電子一樣沿拓?fù)浣^緣體的邊緣流動。

這個發(fā)現(xiàn)的重要意義

這個發(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算機(jī)抗干擾能力更強(qiáng)的拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)。

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

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)破解了這一難題。此外，“天使粒子”還將推動人工智能實現(xiàn)“量子的跳躍”，“人工智能的核心是算法。如果依托量子計算機(jī)開展運(yùn)算，人工智能就可以將以前多個步驟才能完成的計算簡化為一步，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米子，所以如果能夠找到馬約拉納費米子，也將有助于人們理解暗物質(zhì)。