美國斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授張首晟及其團隊在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項重大發(fā)現(xiàn)：在歷經(jīng)80年的探索之后，他們終于發(fā)現(xiàn)了“馬約拉納費米子”的存在。

改變世界基礎(chǔ)物理

1928年，英國理論物理學(xué)家保羅·狄拉克做出了一項驚人預(yù)測，即宇宙中每個基本的粒子必然有相對應(yīng)的反粒子。當粒子和反粒子相撞時，它們會相互湮滅，進而釋放出能量。果不其然，幾年后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個反物質(zhì)粒子(即電子的反粒子正電子)，反物質(zhì)很快就成了流行文化的一部分。

但在1937年，另一位著名物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納提出了一個新的理論：他預(yù)測在一個名為費米子(包括質(zhì)子、中子、電子、中微子和夸克)的粒子類別中，應(yīng)該存在一類自身沒有反粒子的粒子。

一個包括斯坦福大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的研究小組如今表示，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費米子存在的確鑿證據(jù)。斯坦福大學(xué)與加州大學(xué)聯(lián)手在實驗室對奇特的物質(zhì)進行了一系列實驗，最終獲得了這一發(fā)現(xiàn)。

這一研究小組由加州大學(xué)歐文分校副教授夏晶和加州大學(xué)洛杉磯分校教授王康隆領(lǐng)導(dǎo)，他們根據(jù)斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授張首晟及其同事提議的計劃實施了這項研究。該小組在7月20日出版的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

作為著名理論物理學(xué)家、這篇研究論文的高級作者之一，張首晟表示：“我們的團隊準確地預(yù)測了找到馬約拉納費米子的地方，以及尋找哪些東西作為這種粒子存在的確鑿證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)終結(jié)了基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域最全面的科學(xué)探尋之一，而這種探尋跨越了80年。”

張首晟還表示，對馬約拉納費米子的尋找更多是出于知識層面的考慮，但這種探索對開發(fā)性能可靠的量子計算機具有現(xiàn)實意義，盡管這種未來距離我們還十分遙遠。

張首晟研究團隊觀察到一種被稱為“手性”費米子的特殊馬約拉納費米子，因為它僅沿著一個方向的一維通路移動。研究人員表示，盡管產(chǎn)生“手性”馬約拉納費米子的實驗非常難以設(shè)計和實施，但它們產(chǎn)生的信號是準確無誤的。

斯坦福線性加速器中心下屬國家加速器實驗室材料與能源科學(xué)研究所主任湯姆·德沃勒烏克斯表示：“這項研究標志著對手性馬約拉納費米子的多年探尋達到了高潮。”張首晟是SLAC國家加速器實驗室的首席研究人員。

麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)家、諾貝爾獎得主弗蘭克·威爾茨克表示：“這似乎是對全新事物的清晰觀察”，他沒有參與這項研究。“這一點兒都不奇怪，因為物理學(xué)家已經(jīng)思考很長一段時間了，即馬約拉納費米子可能存在于這項實驗使用的材料中。但是，他們把以前從未被放在一起的幾個元素結(jié)合了起來，以這種清晰且可靠的方式來觀察這種新型量子粒子，稱得上是真正的里程碑。”

尋找“準粒子”

馬約拉納的預(yù)測僅適用于不含電荷的費米子，如中子和中微子。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了中子的反粒子，但他們有充分的理由相信中微子可能就是自己的反粒子，目前還有四個實驗正在進行中，包括在美國新墨西哥州濃縮氙觀測站實施的EXO-200項目。但是，這些實驗的難度非常大，估計十年內(nèi)都不會有答案。

大約10年前，科學(xué)家意識到在探索材料物理學(xué)的一些實驗中，也可能會產(chǎn)生馬約拉納費米子，于是一場尋找馬約拉納費米子的競賽開始了。他們一直在尋找的是“準粒子”——由超導(dǎo)材料中電子的集體行為產(chǎn)生的粒子式激發(fā)，其以100%的效率傳導(dǎo)電力。

根據(jù)愛因斯坦著名的E = mc2方程式，產(chǎn)生這些準粒子的過程類似于能量在真空中變成短命“虛擬”粒子并再次變回能量的方式。雖然準粒子不像自然界中發(fā)現(xiàn)的粒子，但它們?nèi)匀槐徽J為是真正的馬約拉納費米子。

在過去五年里，科學(xué)家通過這種方法取得了一些成功，并且報告說他們在涉及超導(dǎo)納米線的實驗中看到了馬約拉納費米子簽名。但張首晟表示，在這些情況下，準粒子遭到“束縛”——被固定在一個特定的地方，而不是在空間和時間上傳播，因此很難判斷其他作用產(chǎn)生的影響是不是研究人員看到的信號。

發(fā)現(xiàn)確鑿證據(jù)

在加州大學(xué)洛杉磯分校和加州大學(xué)歐文分校的最新實驗中，研究小組將兩個量子材料(超導(dǎo)體和磁拓撲絕緣體)的薄膜堆疊在一起，并將電流通過它們?nèi)繉?dǎo)入冷藏真空室。

最上面的薄膜是超導(dǎo)體，底部則是一種拓撲絕緣體，它僅沿著表面或邊緣傳導(dǎo)電流，而不是通過中間。將它們放在一起，就形成了一種超導(dǎo)拓撲絕緣體，電子沿著沒有阻力的材料表面的兩個邊緣活動，就好比高速公路上的汽車。

張首晟的想法是通過添加少量磁性材料來調(diào)整拓撲絕緣體。這使得電子沿著表面的一個邊緣單向流動，然后再沿著相反的邊緣反向流動。然后，研究人員在堆疊的薄膜上掃過一塊磁鐵。這使得電子的流動變慢，停止并改變方向。這些變化并不穩(wěn)定，但發(fā)生在陡峭的臺階上，就像是樓梯上的相同臺階一樣。

在這種循環(huán)的某些階段，馬約拉納準粒子出現(xiàn)了——成對出現(xiàn)在超導(dǎo)層之外，像電子一樣沿著拓撲絕緣體的邊緣傳播。每對準粒子中都有一個成員偏離軌道，使得研究人員可以輕松測量單個準粒子的流動。像電子一樣，它們的速度突然減慢，停止并改變了方向。這些恰恰是研究人員一直在尋找的確鑿證據(jù)。

斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授希奧爾希奧·格雷塔曾在設(shè)計和規(guī)劃EXO-200方面發(fā)揮了重要作用，他表示這些實驗結(jié)果不太可能對確定中微子是否是其自身反粒子的努力產(chǎn)生影響。

格雷塔說：“他們觀察到的準粒子基本上是在一種表現(xiàn)為馬約拉納粒子的材料中的激發(fā)。但是它們不是基本粒子，而是以人造的方式在一個專門準備的材料中制造出來的。這種情況不可能發(fā)生在宇宙中。另一方面，中微子無處不在，如果它們被發(fā)現(xiàn)是馬約拉納粒子，我們將會用行動證明，大自然不僅使得這種粒子成為可能，而且已經(jīng)用它們填滿了宇宙。”

他補充說：“更令人感興趣的是，物理學(xué)中的類比已經(jīng)證明是非常強大的證據(jù)，即使它們是非常不同的東西、非常不同的過程，也許我們可以用其中一個來理解另一個，我們可能會發(fā)現(xiàn)一些我們也覺得有趣的東西。”

“天使粒子”

張首晟，將來馬約拉納費米子可以用來構(gòu)建功能強大的量子計算機，而這些量子計算機沒有被環(huán)境噪聲所淹沒。由于每個馬約拉納費米子基本上只相當于亞原子粒子的一半，所以一個量子位的信息量可以存儲在兩個獨立的馬約拉納費米子中，進而減少了一些可能擾亂它們的機會，同時也使得它們丟失了自身所攜帶的信息。

張首晟暫時參考2000年暢銷書《天使與魔鬼》的內(nèi)容，將其團隊發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉納費米子命名為“天使粒子”。在這部暢銷書中，一個秘密組織計劃用定時炸彈炸毀梵蒂岡，而這顆炸彈的威力來自于物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的反應(yīng)。張首晟指出，與書中情節(jié)不同的是，在馬約拉納費米子的“量子世界”中，只有天使，沒有魔鬼。