科學之謎/華人科學家領銜團隊找到「天使粒子」

張首晟接受採訪。

物理學迎來重大突破:由4位華人科學家領銜的科研團隊終於找到了正反同體的「天使粒子」─馬約拉那費米子,從而結束了國際物理學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。

根據鳳凰網報導,相關論文發表在今天出版的《科學》雜誌上。該成果由加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學教授張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等多個團隊共同完成,通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆,均為華人科學家。
諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek評價這項工作時說: 張首晟與團隊設計了全新的體系, 並在實驗中清晰地測量到馬約拉那費米子,這真是一項裡程碑的工作。

國際同行指出:發現馬約拉那費米子是繼發現「上帝」粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之後的又一裡程碑發現,不僅具有重大的理論意義,而且具有重要的潛在應用價值:讓量子計算成為現實。

「神秘的正反同體粒子,讓我們等了80年」

在物理學領域,構成物質的最小、最基本的單位被稱為「基本粒子」。它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質,也是組成各種各樣物體的基礎。基本粒子又分為兩種:費米子和玻色子,分別以美國物理學家費米和印度物理學家玻色的名字命名。

東方西方哲學家都認為,人類似乎生活在一個充滿正反對立的世界:有正數必有負數,有存款必有負債,有陰必有陽,有善必有惡,有天使必有惡魔。 1928年,偉大的理論物理學家狄拉克(Dirac)作出驚人的預言:宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應的反粒子。根據愛因斯坦E=mc²的質能公式,當一個費米子遇上它的反粒子,它們會相互湮滅,從而使兩個粒子的品質消失並轉化為能量。

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義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉那。

從此以後,宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。然而,會不會存在一類沒有反粒子的粒子,或者說正反同體的粒子?1937年,義大利理論物理學家Ettore Majorana在他的論文中猜測有這樣神奇的粒子存在,即我們今天所稱的馬約拉那費米子。不幸的是,他本人做出這一猜測後在一次乘船旅行中神秘失蹤。自此以後,尋找這一神奇粒子成為了物理學家門夢寐以求的探索目標。

科學家們認為,在粒子物理中,標準模型範疇之外的中微子可能是馬約拉那費米子。而要驗證這一猜想,需要進行無中微子的beta雙衰變實驗。可惜的是,這項實驗所要求的精度在今後的10年到20年以內都難以達到。

張首晟把突破口轉向凝聚態物理。從2010年到2015年,張首晟團隊連續發表三篇論文,精準預言了實現馬約拉那費米子的體系及用以驗證的實驗方案。王康隆等實驗團隊依照張首晟的理論預測,成功發現了手性馬約拉那費米子,為持續了整整80年的科學探索畫上了圓滿的句號。

張首晟將這一新發現的手性馬約拉那費米子命名為「天使粒子」,這個名字來源於丹•布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。「這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我們找到了一個沒有反粒子的粒子,一個只有天使,沒有魔鬼的完美世界。」張首晟說。

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電影《天使與魔鬼》海報。

「今天的成果,是建立在發現量子反常霍爾效應的基礎上」

困擾了物理學界80年的難題是怎樣被破解的?張首晟認為,任何科研工作都是建立在已有成果的基礎上。天使粒子的發現,得益於先前對量子反常霍爾效應的探索,也是理論和實驗結合的成果。

最初,張首晟按常理做了一項推斷:既然馬約拉那費米子只有粒子、沒有反粒子,那麼它就相當於傳統粒子的一半。他很快意識到,「一半」的概念就是解決問題的關鍵。

早在2008年,張首晟理論就預言了量子反常霍爾效應,這一預言在2013年被清華大學教授薛其坤領銜的清華大學物理系和中科院物理研究所聯合組成的實驗團隊證實。在實驗中,隨著調節外磁場,反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台,對應著1、0、-1倍基本電阻單位e2/ h。也就是說,量子世界裡的電阻是量子化的,它只能整數倍地跳台階。

這給了張首晟一個靈感:馬約拉那費米子是通常粒子的一半,既然通常的粒子按整數跳,馬約拉那費米子或許就是按半整數跳─它一定會呈現出一個奇特的、「1/2的台階」。由此,他預言手性馬約拉那費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時,臨近效應使之能夠實現手性馬約拉那費米子,相應的實驗中會多出全新的量子平台,對應1/2 倍基本電阻單位e2/ h。

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張首晟團隊提出的搜尋馬約拉那費米子的實驗平台:由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件。

在後續的實驗驗證中,激動人心的成果出現了:王康隆等實驗團隊確實看到了「1/2的台階」。這半個基本電阻來源於馬約拉那費米子作為半個傳統粒子的特殊性質,因此,多出來的半整數量子平台為手性馬約拉那費米子的存在提供了有力的印證。

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王康隆實驗團隊等在與張首晟理論團隊合作下所測量到的與理論預測符合的半量子電導平台,這為馬約拉那費米子的發現提供了直接而有力的實驗證據。

「天使粒子帶來的量子計算時代,讓我充滿興奮和期待」

找到天使粒子有什麼現實意義?張首晟指出,從基本科學發現到技術應用往往需要多年時間,但天使粒子的發現意味著量子計算已成為可能。

他解釋說,量子世界本質上是平行的,一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。因此,量子電腦能夠進行高度並行的計算,遠比經典電腦有效。以算術問題為例,如果給出一個很大的數字,問這個數字能否拆成兩個數字的乘積,那麼經典電腦只能用窮舉法逐一嘗試整除計算,而量子電腦可以在一瞬間同時完成所有可能項的測算。

然而,一個量子比特的資訊非常難以存儲,微弱的環境雜訊就能毀滅其量子特性。因此,量子電腦往往被視為可望不可即的空想。

「通常情況下,量子比特只能放在一個傳統粒子內儲存,容易被干擾。但如今,天使粒子的發現提供了一種絕妙的可能性:一個量子比特能夠被拆成兩半,存儲在兩個距離十分遙遠的馬約拉那費米子上。」

張首晟說,如此一來,傳統的雜訊很難同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉那費米子、進而毀滅所存儲的量子資訊。「相較於傳統的存儲方式,基於天使粒子的存儲方式極其穩固。」

「我們提出的器件同時還是二維體系,從而允許馬約拉那費米子的糾纏和編辮,使得有效的量子計算成為可能,從而解決人類面對的一些艱難問題。」張首晟說,「我對天使粒子巡遊的量子天堂充滿興奮與期待。」

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一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。