(果壳翻译班/编译)1928年,物理学家保罗·迪拉克(Paul
Dirac)做出了一个惊人的预测:宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时,它们会湮灭,同时释放出一股能量。果然,几年后,第一个反物质——电子的反粒子被发现,反物质迅速成为流行文化的一部分。

西媒称,1928年英国物理学家保罗·狄拉克做出了一个非凡的预言:宇宙中每一个基本粒子都拥有一个“反粒子”。这些反粒子是基本粒子的孪生兄弟,但却带着相反电荷。数年后,人们发现了第一个反物质的反粒子——正电子,于是反物质很快成为了基本共识。

但在1937年,另一位物理学家埃托里·马约拉纳(Ettore
Majorana)指出了一个反转:他预测,在一类被称为“费米子”的粒子(包括了质子、中子、电子、中微子和夸克)中,应该有一些粒子,自己就是自己的反粒子。

据西班牙《阿贝赛报》网站7月21日报道,然而在1937年,另一位伟大的物理学家埃托雷·马约拉纳将该情形进行了新一轮的扭转。他预言,在我们所熟知的费米子(包括质子、中子、电子、中微子和夸克粒子)中,存在着一些粒子,其反粒子就是其本身。

科学 1埃托里·马约拉纳。图片来源:www-centre-saclay.cea.fr

80年后的今天,在用特殊材料进行一系列实验后,一个物理学家团队终于发现了“马约拉纳费米子”真实存在的第一个证据。该实验与斯坦福大学科学家合作,在加利福尼亚大学实验室进行。该实验按照主要研究员张首晟制定的计划一步一步进行,得出的实验结果于7月20日刊登在美国《科学》杂志上。

现在,研究者宣称,他们已经发现了这些所谓“马约拉纳费米子”存在的第一个坚实证据。它是在加州大学与斯坦福大学合作的一系列特殊材料实验中被发现的。这个实验团队由加州大学欧文分校的夏晶教授和洛杉矶分校的王康隆教授领导,而他们的实验计划则是由斯坦福大学的物理学家张首晟和他的同事提出。他们的论文结果刊登在7月21日的《科学》上。

斯坦福大学物理学教授张首晟说:“我们的团队准确预测了在何处可以找到马约拉纳费米子,以及应当寻找什么来作为证据。这一重大发现结束了基本物理学最艰辛的探索,一个已经持续了80年的探索。”

科学 2文章部分作者:左起为何庆林,寇煦丰,张首晟和王康隆。

对于张首晟来说,尽管著名的费米子似乎只是一个理论性高于实践性的物质,但他们的发现将会对未来建造更加稳定的量子计算机产生重要的意义。

 “我们的团队准确地预测了马约拉纳费米子的出现地点,还有什么样的实验信号是它存在的铁证。”理论物理学家,同时也是该论文的作者之一的张首晟说,“这个发现令基础物理学最热门的探索之一终于告一段落,而我们为了找到它已经努力了八十年。”

由于只沿一维路径移动并且方向固定,因此研究人员发现的马约拉纳费米子,其具体种类是“手性马约拉纳费米子”。

尽管马约拉纳费米子的发现看起来应该是理论意义多于实践意义的,但张首晟说,它可能对构建稳定的量子计算机有所帮助,当然,这是非常遥远的以后的事了。

张首晟所在的实验室主任汤姆·德弗罗说:“这项研究标志着该领域的里程碑。”

研究团队观察到的这一种特定的马约拉纳费米子被称为“手性”费米子,因为它会沿着某一维路径移动并且方向固定。研究人员表示,尽管设计、建造和运行能够产生它的实验都非常艰难难,但实验产生的信号却是清晰无误的。

该实验中,研究人员在一个低温真空室中堆叠了两种量子材料(一个超导体和一个磁性拓扑绝缘体)的薄膜,然后利用薄膜传导电流。上层薄膜是一个超导体,底层是一个拓扑绝缘体——电流只通过其表面或边缘传导,并不会通过其内部。合并两层薄膜,物理学家们获得了超导-拓扑绝缘体,电子在这里沿着材料表面的两个轴无阻碍运动,如同高速公路上的汽车一样。

“这个研究是多年来寻找手性马约拉纳费米子的最高峰,这将是该领域的一个里程碑”,斯坦福SLAC国家加速器实验室下属物质能源研究所(SIMES)的主任汤姆·德沃罗(Tom
Devereaux)说。张首晟是任职于此的一位首席研究员。

目前,张首晟提议将发现的手性马约拉纳费米子命名为“天使粒子”。张首晟提到,在马约拉纳费米子的量子世界中只有天使,没有魔鬼。

“这确实是十分干净利落地观察到了新的东西”,麻省理工学院的理论物理学家和诺奖得主弗朗克·韦尔切克说,他没有参与这项研究。“这本质上并不令人惊讶,毕竟物理学家很长一段时间都认为马约拉纳费米子能从这样的材料里诞生。但是他们把好几种元素以从未有过的方式结合起来,利用工程手段让这种新的量子粒子能以干净而稳定的方式被观测到,这是一个真正的里程碑。”

寻找“准粒子”

马约拉纳的预言只针对不带电荷的费米子,比如中子和中微子。科学家们已经找到了中子的反粒子;至于中微子,有很好的理由认为它的反粒子可能就是它本身。目前有四个实验正试图验证这一论断——比如新墨西哥州的浓缩氙观测站(Enriched
Xenon
Observatory)的最新升级版EXO-200。不过这些实验难度太大,可能在未来十年内都难以得到结论。

大约十年前,科学家们意识到马约拉纳费米子还可能在材料物理的实验中制造出来。于是,一场找到这种粒子的“竞赛”在学界拉开了帷幕。

他们寻找的,其实是“准粒子”。所谓准粒子是复杂系统的一种物理现象,它虽然不是“真”的粒子,但是其行为就像是一个粒子。在超导材料中,许多电子的集合行为,就能产生出准粒子;这种过程和真空中能量与“虚粒子”相互转变过程类似,都遵循爱因斯坦著名的E=mc2质能方程。尽管准粒子和自然界中存在的粒子有所不同,但它们也被视为是马约拉纳费米子。

过去的五年中,科学家们用这一手段取得了一定成果。曾有研究者表示,在研究超导纳米线材的试验中观测到了很可能是马约拉纳费米子的痕迹。

但在之前的实验中,这些准粒子都是被“束缚”的——它们被困在特定的位置,而不会在时空中传播;而且人们也很难确认这些痕迹是不是也有其他效应的作用。

“还在冒烟的枪”

在加州大学洛杉矶分校和欧文分校的最新实验中,研究团队将两种量子材料——一种超导体和一种磁拓扑绝缘体——的薄膜堆叠在一起,让电流从中通过,整个仪器放在低温真空室里。

科学 3实验配置的方式。图片来源:论文原文

上层薄膜是一种超导体,底层则是一种拓扑绝缘体——电流只会在其表面或边缘传导,而不经过其内部。它们在一起形成了一种超导-拓扑绝缘体,电子毫无阻力地沿着材料表面的两个边缘流动,如同高速公路上飞驰的汽车。

张首晟的想法是通过添加少量的磁性材料来调整拓扑绝缘体。从而使电子沿着表面两边的电子沿着相反的方向流动。

然后,研究人员在薄膜堆上扫过一块磁铁。这样可以减慢、停止和切换电子的流动方向。这些变化并不连续,而是一步步地突然发生,就像在楼梯上的一级级台阶一样。

在这个循环中的某些时刻,马约拉纳费米子就出现了。它们成对地从超导层里诞生,像电子一样沿拓扑绝缘体的边缘流动。研究者令每对粒子中的一个偏离正常路径,就可以很容易地测量单个准粒子的流动。像电子一样,准粒子也会随着磁铁运动而减慢运动速度、停止或者改变方向,但是它迈出的每一“步”,高度只有电子脚步的一半。

这些“半步”,就是研究人员一直在寻找的铁证,如同犯罪现场还在冒烟的枪。

斯坦福大学物理学教授乔治·格雷塔(Giorgio
Gratta)在设计和规划EXO-200项目上发挥了重要作用。他认为,这些实验的结果,对确定中微子是否是自己的反粒子的工作不太可能有什么影响。

格雷塔说:“他们观察到的准粒子,本质上就是材料中的激发现象,表现得像马约拉纳费米子。但它们不是基本粒子,它们是在特殊准备的人造材料中,以十分人为的方式产生的。它们应该不太可能自发出现在宇宙中,不过话说回来这事儿我们也说了不算。另一方面,中微子在宇宙中无处不在的,如果中微子被证明是马约拉纳费米子,这将表明自然不仅允许了这种物质的存在,而且还将其充满了整个宇宙。“

他补充说:“这件事更有趣的是,它证明’类比’的思想在物理学研究中非常重要。虽然准粒子和真实粒子是不同的东西和不同的过程,但也许我们可以用一个去理解另一个。也许我们会发现很多更有趣的事情。“

天使粒子

张首晟说,等到遥远的未来,马约拉纳费米子可以用来制造稳定的量子计算机,不会被环境噪音干扰——目前这种干扰是量子计算机的巨大障碍。因为每个马约拉纳费米子本质上就是半个亚原子粒子,所以一个量子比特的信息可以用两个相距甚远的马约拉纳费米子存储,这样就不太可能有什么因素同时干扰它俩、让它们携带的信息丢失。

现在,他给他的团队发现的这一种手性马约拉纳费米子起了一个名字:“天使粒子”。这个名字指的是2000年的一本惊悚小说《天使与魔鬼》,小说中一个秘密兄弟会计划用一枚定时炸弹炸毁梵蒂冈,这枚炸弹的破坏力就来自物质-反物质湮灭。但是张首晟说,和小说不同的是,在马约拉纳费米子的量子世界,只有天使,没有魔鬼。

以上编译自斯坦福大学新闻稿,原文作者Glennda Chui。

今天下午,我们和论文的共同第一作者,加州大学洛杉矶分校的潘磊取得了联系。他告诉果壳网,这一发现的重要性在于它为拓扑量子计算机的实现指明了道路。拓扑量子计算比普通的量子计算对外在噪声的抵抗力更强,但是为了实现它,需要对一种满足特定属性的粒子进行操纵,而马约拉纳费米子正好具有这种属性。

此前人们已经知道,中微子有可能是一种马约拉纳费米子。但是中微子几乎不和任何东西作用,操纵它似乎不太可能,所以研究者试图在固态物质里寻找它的准粒子。虽然可以说这些准粒子不是“真正”的马约拉纳费米子,但是对于量子计算而言这没有关系,只要这个准粒子符合它的性质,就可以用来制造拓扑量子计算机。

潘磊说,他和他的合作者的这一实验,利用的是马约拉纳费米子的独特性质,观测到的结果比较干净,基本可以排除干扰可能。

这项实验虽然是由多位华裔科研工作者完成,但潘磊希望媒体不要过度关注作者的国籍,而将报道重心回归到实验本身之中。

(编辑:Ent)

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