——王康隆教授談發(fā)現(xiàn)“天使粒子”實驗過程

本報記者 聶翠蓉

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    《達芬奇密碼》作者丹·布朗創(chuàng)作的另一部暢銷小說《天使與魔鬼》，反物質(zhì)是故事的主要載體。故事主人公是歐洲核子研究中心（CERN）的著名科學(xué)家，他在地下實驗室秘密制造出的反物質(zhì)不翼而飛，可能會因自行爆炸將整座城市毀滅。在失蹤的24小時內(nèi)，主人公與盜取反物質(zhì)的勢力展開了斗智斗勇的冒險之旅。

    21日被華人科學(xué)家團隊首次發(fā)現(xiàn)并公布的馬約拉納費米子，張首晟根據(jù)《天使與魔鬼》的內(nèi)容將其稱為“天使粒子”。他指出，在馬約拉納費米子的“量子世界”中，只有天使，沒有魔鬼。但主導(dǎo)這次研究的加州大學(xué)洛杉磯分校教授王康隆，接受科技日報記者采訪時認為，馬約拉納費米子正反同體，就像道家的陰陽八卦圖一樣，因此叫“太極粒子”可能更貼切。

    王教授表示，這次發(fā)現(xiàn)是實驗室13年來在材料和物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域長期堅持的結(jié)果，是準備了大量的實驗材料，做了大量的前期研究后，才一步步實現(xiàn)的?！皩ξ覀儓F隊而言，這是一個意外的驚喜?！?/P>

    正反同體 神秘莫測

    標準物理理論模型中，12種基本粒子被分成兩大家族：電子、質(zhì)子等8種粒子組成的費米子家族和光子、介子等4種粒子組成的玻色子家族。一般認為，每一種粒子都有其反粒子，且狀態(tài)與粒子本身相反，粒子與反粒子相遇會瞬間湮滅。

    但1937年，埃托雷·馬約拉納預(yù)言，有一類特殊的費米子，像光子等玻色子一樣，它們的反粒子就是自身，這種費米子被稱為“馬約拉納費米子”。離奇的是，就在馬約拉納作出這一重大預(yù)測不久，他給家人和單位分別留下一封短信，帶著預(yù)支的半年薪水和所有科研資料，踏上一艘船后神秘失蹤。80年來，馬約拉納費米子與馬約拉納本人，分別成為物理學(xué)家們和科幻小說的神秘主角，只是關(guān)于馬約拉納的結(jié)局更多的是炒作，如“被外星人接走了”；至于馬約拉納費米子，經(jīng)過幾代物理人的努力，籠罩在其頭上的“面紗”一點點被揭開。

    時隔80載終現(xiàn)身

    近80年來，世界各國物理學(xué)家從來沒有停止過對“天使粒子”的探尋?？茖W(xué)家們相信，中微子可能就是自己的反粒子。目前，包括美國新墨西哥州濃縮氙觀測站實施的EXO-200等四個大型實驗正在搜尋中微子，但由于中微子不帶電、質(zhì)量極小，被稱為宇宙中的“隱身人”，這些尋找天然基本粒子的實驗難度非常大，估計十年內(nèi)也不會通過這些實驗為“天使粒子”找到答案。

    直到10年前，科學(xué)家們在探索材料物理學(xué)的一些實驗中發(fā)現(xiàn)，有些材料內(nèi)可能產(chǎn)生“天使粒子”。于是，科學(xué)家們在另一個“戰(zhàn)場”開始了搜尋“天使粒子”的競賽：由超導(dǎo)材料中電子集體行為產(chǎn)生的粒子式激發(fā)，稱為“準粒子”。雖然準粒子不像自然界的基本粒子，但它們?nèi)员徽J為是真正的馬約拉納費米子。

    這次研究中，加州大學(xué)洛杉磯分校王康隆團隊根據(jù)自己在拓撲材料領(lǐng)域10多年的積累，與多位華人科學(xué)家合作，在真空冷藏室內(nèi)，將底部的拓撲絕緣體材料和上面的超導(dǎo)體薄膜堆疊在一起，形成一種超導(dǎo)拓撲絕緣體，通過添加少量磁性材料，讓電子只沿著拓撲絕緣體表面的一個邊緣單向流動。再向堆疊的薄膜上掃過一塊磁鐵，不斷調(diào)整電子的流動速度和方向，在某些時刻，他們觀察到馬約拉納費米子從超導(dǎo)層里出現(xiàn)，像電子一樣沿著拓撲絕緣體的邊緣流動，只是邁出的每一“步”，高度只有電子每步的一半。這些“半步”，就是研究人員一直在尋找的馬約拉納費米子存在的鐵證。

    王康隆教授表示，他們最初做實驗時，并沒有計劃一定要找到這個特別的粒子。2008年，他們開始拓撲絕緣體的研究，最初是為了探索這種材料能否應(yīng)用于低功耗電子芯片的開發(fā)。因為理論預(yù)測指出，馬約拉那費米子可能存在于一種量子線和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中，他們課題組才開始探尋神秘的馬約拉納費米子。

    制造量子計算機的完美選擇

    這次發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費米子是一種手性粒子，“手性”可大致理解為這種粒子只沿一個方向運動，可用來實現(xiàn)低能耗的信息傳輸和處理。

    2016年6月，上海交通大學(xué)賈金鋒課題組及其合作者在《物理評論快報》上發(fā)表論文指出，他們在拓撲絕緣體和超導(dǎo)體形成的拓撲超導(dǎo)體界面中，觀察到特有的自旋極化電流，為一維馬約拉納費米子的存在提供了確鑿證據(jù)。

    而這次研究中，王康隆主導(dǎo)的團隊首次在二維空間觀察到手性馬約拉納費米子的量子態(tài)，且在不同的樣品中能重復(fù)觀測。由于這次發(fā)現(xiàn)的是在二維邊界上延伸的手性模式，可用于傳輸，這對凝聚態(tài)中馬約拉納費米子的研究和應(yīng)用將起到很大的推動作用。

    王康隆告訴科技日報記者，馬約拉納費米子是制造量子計算機的完美選擇。與現(xiàn)在量子計算機面臨的最大障礙——被環(huán)境噪音干擾不同，未來量子計算機的每個量子比特信息可以用兩個相距很遠的“天使粒子”存儲，這樣背景噪音就不可能對它們造成破壞，它們攜帶的信息也不會丟失。

    （科技日報北京7月23日電）

          ［本文轉(zhuǎn)自《科技日報》2017年7 月 24日第2 版。］