張首晟團隊發現天使粒子 楊振寧:獲諾獎只是時間問題

張首晟。

張首晟及其團隊7月21日凌晨在美國科學雜誌上發表了一項重大發現:在整個物理學界歷經80年的探索之後,他們終於發現了手性Majorana費米子的存在。

根據鳳凰網報導,這一發現,驗證了由義大利理論物理學家Ettore Majorana在80年前提出的預測——存在一類沒有反粒子的粒子。同時也證明了存在一種比量子還小的單位,這將對現在的量子理論帶來巨大的改變。

張首晟將這一新發現稱為『天使粒子』。普通群眾可能暫時難以理解這一發現,但是對基礎物理界來說,這或將開啟一個新的時代。

80年漫長的尋覓

1928年,英國理論物理學家保羅·狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)提出了著名的狄拉克方程式。這一發現,從理念上預言了正電子的存在,狄拉克提出:宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子。


狄拉克和刻在他墓碑上的方程式。

1932年,美國物理學家安德森在研究宇宙射線時,無意間發現了狄拉克預言的正電子。從此以後,宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是永恆不變的真理。

目前,正電子也被廣泛應用到人類生活之中,醫學影像技術PET(Positron Emission Tomography,正電子發射斷層掃描)就是其中之一。

張首晟向鳳凰科技表示:『根據以往的認知,我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界。比如有正數必有負數,有存款必有負債,有陰必有陽,有善必有惡,有天使必有惡魔。』

但是,在1937年,也就是整整80年前,Ettore Majorana做出這樣一個大膽的猜測:會不會有一類沒有反粒子的粒子,或者說它們自身就是自己的反粒子。這個粒子被後來的物理學界稱之為Majorana費米子,並和希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。


Ettore Majorana。

從那開始,尋找這一神奇粒子也就成了物理學中許多領域研究工作的崇高目標。

在物理學裡,存在兩大分支,分別是粒子物理和凝聚態物理。

在粒子物理中,標準模型範疇外的中微子被認為最可能是Majorana費米子,而且這一猜測是有可能被『無中微子的beta雙衰變』實驗所驗證。但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。

而在張首晟所研究的凝聚態物理中,Majorana費米子有可能作為某些新奇量子基態上的準粒子或元激發而存在。

在2010年到2015年之間,張首晟與其團隊連續發表三篇論文,精準預言了在哪裡能夠找到Majorana費米子,繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。

他們預言手性Majorana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。


張首晟團隊搜尋手性Majorana費米子的實驗平台。

在以往的量子反常霍爾效應實驗中,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。

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Majorana 費米子,相應的實驗中會多出全新的量子平台,對應½倍基本電阻單位e2/h。


實驗中出現的半量子電導平台。

這半個基本電阻在某種意義上可以視為半個傳統粒子。所以,這多出來的半整數量子平台就提供了有力的證據,證明在時空中傳播的手性Majorana費米子的存在。

根據這一理論預言,來自UCLA(由何慶林、王康隆教授領導)和UC Irvine(由夏晶教授領導)的兩個實驗團隊與張首晟教授的理論團隊緊密合作,最終在所提出的器件中實驗上發現了手性Majorana費米子。


發現手性Majorana費米子。

他們在通常的整數量子平台之外,探測到了張首晟團隊預言的半整數量子平台。隨後的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力的排除了其他可能的實驗雜訊與假象。

基礎物理與應用的『雙突破』

張首晟將發現的手性Majorana費米子稱為天使粒子,這一靈感來自於小說《天使與魔鬼》。在Dan Brown的這部小說中,正反粒子的碰撞會將所有質量以能量的形式釋放出,從而湮滅整個世界。

而天使粒子的發現,就好像發現了一個完美的世界,這裡只有天使,沒有魔鬼。

張首晟告訴鳳凰科技,天使粒子最重要的意義是改變了基礎物理,因為它改變了人們一直認知的正反對立的世界觀。

對於每一位物理學家來說,基礎物理的研究都是一段極為漫長的過程。一個重大的發現往往需要50年甚至100年的時間,有發現已經是幸運的。也有很多人,可能傾注畢生,最終也沒有所獲。


1927年第五次索爾維(Solvay)會議參與者(攝於比利時索爾維國際物理研究所)。

任何科學的發現,都是站在巨人的肩膀上。張首晟表示,天使粒子的發現,也是建立在量子反常霍爾效應以及拓撲絕緣體的基礎上。

不僅如此,不同於其他基本科學從發現到技術應用往往需要多年時間,天使粒子已經可以看到其實際應用的前景。

量子世界本質上是並行的,一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子電腦能夠進行高度並行的量子計算,遠比經典電腦有效。

然而,一個量子比特的資訊非常難以存儲,微弱的環境雜訊都能夠毀滅其量子特性。但Majorana費米子沒有反粒子,或者說相當於半個傳統粒子,便提供了一種絕妙的可能性:一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠的Majorana費米子上。

如此一來,傳統的雜訊極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana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,比如電子自旋,超導磁通和光子極化,這樣存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特,本質上極其穩固。

也就是說,Majorana費米子能夠用於構造穩固的拓撲量子電腦,使得有效的量子計算成為可能。

張首晟表示,原先大家已經認為量子是最小的單位,而天使粒子使得一個量子單位可以拆為兩半,讓量子變得更穩定。

現在,這項科學已經可以開始應用。『谷歌和微軟已經提供了支援,未來,在中國大陸也會開始進行應用。』張首晟說。

專案負責人張首晟——獲得諾獎只是時間問題

幾天前,張首晟回到北京為其恩師楊振寧慶祝95歲壽辰。

1963年出生的張首晟,17歲便前往德國柏林自由大學學習。他學的是理論物理專業,這也是楊振寧的專業。

但理論物理的就業面太窄,張首晟一度開始擔心自己的前途。但當他來到哥廷根大學附近的一塊墓地,看到裡面埋葬的一些物理學家都是用其生前發現的公式作為墓誌銘,這深深震撼了張首晟。

自此,『用一個公式概括整個世界』成為張首晟的夢想,也讓他決定將畢生的精力都貢獻給物理學研究。

還有一個選擇對張首晟產生了深遠的影響。當年在柏林自由大學學習時,張首晟一直將大統一理論當成自己的學術目標。因為這是愛因斯坦努力一生的事業,也是楊振寧的領域。


1987年張首晟博士畢業時與楊振寧的合影。

但是當他師從楊振寧時,楊振寧卻鼓勵張首晟去研究凝聚態物理。楊振寧認為他自己所處的領域要想有所突破已經很難,而凝聚態物理剛剛興起,發展很快。

最後,張首晟在楊振寧的指導下,開始在凝聚態領域工作。


張首晟2012年獲得狄拉克獎。

接下來,1996年,年僅33歲的張首晟被評為史丹佛大學終身教授。隨後,憑藉拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應兩項理論的發現,張首晟於2010年獲得歐洲物理獎;2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎;2014年獲得美國富蘭克林獎。

張首晟多年被湯森路透預測會得到諾貝爾獎,楊振寧則評價『他獲得諾貝爾獎只是時間問題』。不知道天使粒子的發現,是否能讓張首晟眾望所歸。