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张首晟团队宣布发现天使粒子-神秘的Majorana费米子

作者:- 文章来源:- 点击数:211 更新时间:2017/7/22 7:41:36

  新浪科技讯 7月21日消息,斯坦福大学终身教授、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士、丹华资本创始人张首晟在北京举办记者招待会宣布了Majorana费米子的发现,将这种神秘粒子命名为“天使粒子”,该发现刊登于世界最权威学术期刊之一《科学杂志》上。

  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Majorana费米子,相较其他粒子而言,Majorana费米子或许更加神秘。

  我们似乎生活在一个充满正反对立的世界:有正数必有负数,有存款必有负债,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有恶魔。 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。Dan Brown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Majorana费米子,而Majorana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。

  从那开始,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Majorana费米子;这一猜测有可能被无中微子的beta双衰变实验所验证。可惜的是,这项实验所要求的精度在今后的10年到20年以内都难以达到。凝聚态物理中,Majorana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。

  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Majorana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Majorana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Majorana 费米子,相应的实验中会多出全新的量子平台,对应?倍基本电阻单位e2/h。这半个基本电阻来源于Majorana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Majorana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Majorana费米子。他们在GaAs(111)衬底上制备了反常量子霍尔效应薄膜(Cr0.12Bi0.26Sb0.62)2Te3,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。

  手性Majorana费米子的发现为持续了整整80年对这一神秘粒子的搜索画上了圆满的句号。类比Dan Brown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Majorana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。

  Majorana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。Majorana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Majorana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Majorana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Majorana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Majorana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。

张首晟团队提出的搜寻手性Majorana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。  张首晟团队提出的搜寻手性Majorana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。
张首晟团队提出的搜寻手性Majorana费米子的实验信号:随外磁场调节而出现的半量子电导平台。张首晟团队提出的搜寻手性Majorana费米子的实验信号:随外磁场调节而出现的半量子电导平台。
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Majorana费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。  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Majorana费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。

  几天前,张首晟回到北京为恩师杨振宁庆祝95岁寿辰,他发现的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一,这一成果让他在2010年获欧洲物理学会颁发的欧洲物理奖,除此之外他几乎包揽了物理界所有重量级奖项,包括欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖等。

  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。(郭祎)

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