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华裔科学家张首晟发现天使粒子:物理学界再迎

发布日期:2017-07-21

继去年美国科学家宣布第一次直接探测到引力波的存在,找到了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图后,物理学家们现在又迎来了一个伟大发现。

根据美国华裔科学家、斯坦福大学物理系、电子工程系和应用物理系终身教授张首晟及其团队的介绍,其已证明在时空中传播的手性Majorana费米子的存在,这一重大发现已发表在最新一期的科学杂志上。

引力波从提出猜想到最终被发现历经一百年,而Majorana费米子从1937年被意大利理论物理学家EttoreMajorana提出猜测到今日也已整整过去八十年。

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。

粒子撬动的世界

科幻小说《三体》中,三体人为了占领地球,创造了智能机器人智子并派驻地球,它的一个重要任务是通过干扰地球粒子高能加速器的运转,进而干扰人类对基础科学的研究,实现锁死人类科技进步的目标。

智子虽然是科幻小说中的一个角色,但基础科学研究在近几十年遭遇瓶颈,却是人类社会面临的真实挑战。

20世纪初,物理学界掀起量子革命,在颠覆经典物理、为人们认识世界和宇宙打开新大门的同时,量子世界的波粒二象性、波函数坍缩等基本数学特性,也为科学家们带来新的未解谜团。

为了解释这些现象,科学家们提出了哥本哈根解释、多宇宙论、隐变量理论、系综理论、GRW理论以及退相干历史等,但至今仍未真正揭开量子论的神秘面纱。尽管如此,量子论的兴起依然彻底改变了世界的面貌,核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术等的发展,都与量子论密切相关。

量子论的神秘吸引着大批科学家投身其中,在量子论的影响下,物理学者们已经达成共识,认为物质是由基本粒子组成,这些基本粒子彼此之间相互影响的基本力有四种。而对粒子与力的探寻,将能真正揭开宇宙的奥秘。

为此,科学家们提出了许多理论假设,在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,其中就有希格斯玻色子(也被称为上帝粒子,已在欧洲粒子加速器中被发现)、引力子、磁单极、暗物质和Majorana费米子。

如今,随着Majorana费米子被发现,表单中的神秘粒子又少一个,这意味着人类在解开宇宙真相的道路上又前进了一步。

独特的天使粒子

根据粒子物理的定义,物质由费米子和玻色子两种基本粒子组成,费米子是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子);玻色子是传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。

位列神秘粒子名单的Majorana费米子是费米子的一种,其独特之处在于,它是一个没有反粒子,或者说反粒子就是其自身的粒子。

在人们的传统观念中,世界总是由正反对立的事物构成,例如有正数即有负数,有存款即存在负债,对于我们而言,这似乎是世界存在一大基本法则。

正反对立的法则在粒子世界同样如此。

1928年,伟大的理论物理学家、量子力学的奠基人之一狄拉克做出预言:宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。几年后,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。

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。

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,正电子的发现并未终结科学家对粒子世界的猜想。

1937年,也就是整整八十年前,神秘的意大利理论物理学家EttoreMajorana做出这样的猜测: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?这也就是今天所称的Majorana费米子。

EttoreMajorana一生只发表了三篇论文,且在文章泄露Majorana费米子天机之后不久就失踪而从此销声匿迹了。因此相较其他粒子而言,Majorana费米子显得更加神秘,自从1937年EttoreMajorana做出以上猜测开始,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。

七年跋涉

天使粒子即Majorana费米子得以被发现,源于来自UCLA(加州大学洛杉矶分校)(加州大学尔湾分校)(由Kang Wang教授领导)和UC Irvine的两个实验团队与Stanford(斯坦福)大学张首晟教授的理论团队通力协作七年得来的成果。

根据张首晟的介绍,七年前,团队开始系统的提出实验方案,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。

如果按照此前科学家们提出的既有路径,Majorana费米子被发现还需要等10到20年。因此此前根据科学家的推测,在粒子物理中,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。遗憾的是,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。

而在凝聚态物理中,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。

张首晟及其团队预言,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。

实验过程如下: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 1/2 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,因此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Kang Wang教授领导)和UC Irvine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,最终探测到了张首晟团队预言的半整数量子平台,在张首晟团队所提出的器件中实验上发现了手性Majorana费米子。

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。这一重大发现已发表在这一期的科学杂志上。

七年的研究终于画上了圆满的句号。

量子计算的新希望

Majorana费米子被发现,将从哲学层面对挑战人类对现有世界的认知,即世界不完全是正反对立的,有阴不一定有阳,有天使不一定有魔鬼。除此之外,这一发现还具有更加现实的意义——在固体中实现拓扑量子计算将成为可能。

在张首晟看来,天使粒子的发现“非常非常神奇,这意味着一个量子比特可以拆成两个,对整个量子物理有根本的改变。”

著名的光学双缝实验证明,量子世界呈现波粒二象性,粒子可以同时穿过两道缝隙——这显然与人们的常识相违背,一个人不可能同时出现在上海和北京,但在量子世界,这是真实存在的现象。

尽管科学家们尚无法解答这一疑问,但量子世界的特点却为计算机的发展提供了全新思路。由于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,量子计算的实现面临一个非常大的挑战: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。

量子比特难以储存的原因来自于量子纠缠的特性,量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”,以电子的“自旋”作例子,两个相互纠缠的电子对,当其中一个顺时针转时,另一个就逆时针转,量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态,即便它们一个在地球,一个在月球,没有传输线相连,如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转,那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说,如果你对其中一个粒子进行观测,那么你不止是影响了它,你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴,而且这与两个粒子间的距离无关。

量子纠缠的神奇之处就在于,当你对其中一个粒子测量时,也会影响到另一个粒子的状态,尽管二者之间没有作用力、滑轮或电话线之类的东西相连,没有任何方法可以彼此沟通。

在量子计算中,作为量子信息单位的是量子比特(qbit)储存在单个粒子上,封闭的量子世界存储在0、1的空间中,由于量子纠缠的特性,量子比特非常非常脆弱,观测者会影响到量子比特的状态。

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,进而毁灭所存储的量子信息。

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。

从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间,但是张首晟教授对于这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。

张首晟对腾讯科技表示,接下来,其团队将与国内科研机构及公司合作,希望基于Majorana费米子研发量子计算以实现弯道超车。

物理学家的信仰与方法论

霍金的传记电影《The Theory Of Everything》中有这样一句台词:宇宙物理学家的信仰是什么?一个单一的统一方程式解释宇宙间的一切。这是爱因斯坦至死都在研究的万能理论(Theory Of Everything,TOE),可以被称为是物理学的桂冠。

张首晟教授表示,找到万能理论也是他的梦想。“我差点要离开理论物理,后来想到这个梦想之后就没有。”

至今,量子物理与广义相对论间的不相容依然没有得到解答。对此,秉承找到万能理论的张首晟也经历过迷惑,“当时追求这个梦想基本是在粒子物理和高能物理领域,但是高能物理和粒子物理做实验就越来越难。”

最终,张首晟的导师、诺贝尔奖获得者杨振宁先生给了他如下建议:你当然可以在理论里面找灵感,但是你也需要在一个领域有实验。“他希望我把视野放的更宽广一些,然后我就到了凝聚态物理。”

投身凝聚态物理后,张首晟并没有忘记自己的初心,他将爱因斯坦的梦想延续进自己研究凝聚态物理的风格中。

“本来在材料科学里面大家就整天做实验,跟寻美而求真感觉是完全风马牛而不及的,但是我们现在就是非常成功的把这种寻美而求真的理念,不仅用到了高能物理、粒子物理,而且用到了凝聚态物理,就是觉得我继承了杨振宁先生的思想后,的确是带来了方法论上的改变。”

上帝粒子被发现花费了六十多年,引力波被发现耗时一百年,而张首晟及其团队在提出实验模型七年后便验证了实验结果,对此,张首晟认为自己非常幸运。

天使粒子已被发现,对万能理论的探索却远未终结。接下来,除了推动国内量子计算的发展外,张首晟的下一个目标是发现磁单极,同列神秘粒子表单的磁单极至今未被人类发现,留给人类的宇宙之谜还有很多。

在张首晟看来,也许有一天,宇宙的谜团会被一个一个解开,但人类寻美而求真的冲动却不会改变,正是这股好奇心驱动着人类不断去探索宇宙的真相,在神秘的宇宙面前,自己仍将对研究保持充分的耐心,这也是科学家对待研究应有的态度。