80年了，終於可以給馬約拉納一個交代——華人科學家宣布找到「天使粒子」

新聞 07-22

21日出版的《科學》雜誌刊登了中科院外籍院士、斯坦福大學物理學教授張首晟團隊的重大發現：他們通過對一種奇異物質開展的一系列實驗，首次為「馬約拉納費米子」的存在找到了確鑿證據，為跨越80年來對這一神秘粒子的探尋畫上了圓滿句號。

張首晟2012年獲得狄拉克獎

義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納

馬約拉納費米子是一種反粒子與自身相同的費米子。1928年，物理學家鮑爾·狄拉克公布驚人預言，宇宙中每個基本粒子都存在反粒子，結果不到幾年，科學家們就發現了首個反粒子——正電子。但1937年，另一位著名義大利物理學家埃托雷·馬約拉納提出新的預測：包括質子、中子、中微子和夸克在內的費米子粒子，粒子本身就是其反粒子。但這一預言提出80年來，科學家們一直在試圖搜尋馬約拉納費米子的存在證據，直到今天，華人科學家團隊才終於獲得成功。

張首晟團隊提出的搜尋馬約拉納費米子的實驗平台：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。

參與這次發現的華人科學家還包括加州大學歐文分校副教授夏晶和加州大學洛杉磯分校教授何慶林和王康隆，以及上海科技大學教授寇煦豐和復旦大學表面物理學國家重點實驗室王靖教授。他們根據張首晟和同事提出的研究思路實施了這項研究。

何慶林、王康隆實驗團隊和夏晶實驗團隊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，這為馬約拉納費米子的發現提供了直接而有力的實驗證據。

2010到2015年間，張首晟團隊發表論文預言，在量子薄膜和普通超導體薄膜組成的混合材料中，能夠找到馬約拉納費米子存在的實驗信號。根據這一預言，夏晶和何慶林、王康隆與張首晟團隊合作，在超導體和磁性拓撲絕緣體疊加而成的材料內，觀察到一種被稱為「手性」費米子的特殊馬約拉納費米子，沿著一個方向移動的準確無誤的信號。

麻省理工學院理論物理學家、諾貝爾獎得主弗蘭克·威爾茨克評價道：「張首晟團隊通過把以前從未被放在一起的幾種材料結合，清晰可靠地觀察到這種新奇粒子，稱得上是真正的里程碑。」

粒子指能以自由狀態存在的最小物質組分，包括電子、中子等。現代物理學的奠基石——物理標準模型從本質上說就是一個粒子家族的「家譜」，其成員大家耳熟能詳。不過還有一些人們不太熟悉但卻能改變世界面貌的「准粒子」。其中就包括今天最火的馬約拉納費米子。下面，小編帶大家一起來認識一下它們。

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馬約拉納費米子

如果你想擁有一台真正的多進程電腦，可以向量子計算機求助。仍處於萌芽階段的量子計算機利用了微妙且具有不確定性的量子態，可以對同一問題同時給出多個解。只要外界環境不去打擾量子計算機「施魔法」，它就可以穩定運行。

馬約拉納費米子可以為量子運算提供「量子比特（qubits）」，使量子計算機更強大。

普通計算機內的信息存儲在「比特（bit）」內，每一比特都被編碼成0或1；量子計算機內的信息比特可同時以0和1存在，但這種疊加狀態非常脆弱。為此，物理學家們一直在尋找使量子比特更穩定的方法。

上世紀30年代，義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納預言，肯定有一種粒子，它和它的反粒子是一樣的。「馬約拉納費米子」的概念誕生了，它沒有質量，不帶電，是自己的反粒子，且總是成雙成對出現。馬約拉納費米子由於具有特殊的性質，呈電中性，很少與環境相互作用，因此成為一種理想的量子信息編碼載體。

由於馬約拉納費米子總是成雙成對出現，意味著它們包含的信息都有兩個副本，因此從理論上說，馬約拉納量子比特對外界噪音有更強的耐受性。但據荷蘭QuTech研究所的阿提拉·蓋賴什迪介紹，這些量子比特存在於巨大的電子效應背景下，要想把馬約拉納准粒子的信息提取出來非常需要技巧。

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聲子

2012年，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）發現了希格斯玻色子，它是其他粒子的質量來源。至此，62種基本粒子已經全部被發現，粒子物理學的標準模型也得以完善。

但如果沒有聲子（phonon），這一切不可能發生。

聲子的概念是在研究晶格振動過程中發展起來的。同濟大學聲子學與熱能科學中心主任李保文曾解釋稱，聲子並不是真正的粒子，而是一種准粒子，是量子化的晶格振動。之所以稱之為聲子，跟「聲音」的本質是物體的「振動」有關，實際上，聲子的希臘文就是聲音的意思。

聲子這一名稱由前蘇聯物理學家伊戈爾·塔姆於1932年首次提出。他指出，正如光和電子對應一樣，可以把聲波與我們稱之為「聲子」的某些粒子聯繫起來。在固體中，尤其是在半導體和絕緣體中，「熱」通過晶格振動來傳導，也就是說，「聲子」是熱的載體。

在常溫下，聲子是准粒子，固體材料的熱傳導主要由聲子來實現。但在極低溫度下，這些准粒子「化身」為一群「牛仔」，驅趕著電子組成的「牛群」。這些電子的行動整齊劃一，活動時電阻幾乎為零，這便是低溫超導的原理。

正是超導磁鐵製造的巨大電磁場，讓質子在LHC的大型圓形軌道內彎曲前行。而在核磁共振成像（MRI）掃描儀中，這些超導磁鐵「變身」為指揮，引導人體組織內的氧原子「跳舞」，釋放出可以追蹤的無線電信號。另外，在最近方興未艾的熱電材料領域，聲子也扮演著重要角色。這些熱電材料可將熱能轉化為電能，也有望實現科學家們一直以來的夢想：將汽車引擎廢熱再利用，為電子產品供電。

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磁振子

自從塔姆提出「聲子」概念後，科學家們逐步在固體內部發現了很多這樣的准粒子。另一個此類粒子源於自旋，這一量子屬性是磁學的基礎。自旋就像原子上的一支箭，指向南或北；當物質內的所有自旋對齊時，就出現了一個磁場。但當這種自旋狀態不斷翻轉時，就造出了一種波效應，科學家們將這種效應稱為「磁振子（magnon）」。

普通電腦和智能手機存儲信息需要電力，設備斷電信息則無從獲取。如果用了磁振子，信息存儲將完全依靠磁場，無需電力，這就是所謂的自旋電子學（Spintronics）。這種方法的優勢在於，它耗電很少——耗電量過大是晶體管晶元微型化遇到的主要問題之一。如果用電磁波來控制磁振子，那麼計算機完全可以擺脫電線和電力的束縛。

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激子

地球一個小時內從太陽獲取的能量，比全人類一年消耗的能量還要多。植物扮演了能量捕手的角色，而激子則是植物執行這一任務的「秘密武器」。

在任何物質中，電子以不同的能級存在。當一個光子照射到物體表面時，它會將電子激發到更高能級，留下一個空穴。電子帶負電，空穴帶正電，它們之間的庫侖吸引作用，在一定條件下會讓它們在空間上束縛在一起，這樣形成的複合體被稱為激子（excitons）。

植物的葉片中含有捕光蛋白，捕光蛋白內的電子吸收光子獲得能量會被激發，離開自己的位置，留下一個空穴，電子—空穴對形成的激子，會在植物的光合作用生產線上四處飄蕩。

當激子到達需要它們的特定位置，電子跟空穴重組並釋放出能量，植物利用這些能量將水分解為氫和氧氣。這一光合作用是地球生命的根源，人類一直期待可以在太陽能電池內模擬這一反應。2013年，美國麻省理工學院研究人員找到了直接給激子「拍照」的方法，朝最終目標邁出了關鍵一步。

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外爾費米子

「外爾費米子（Weylfermions）」就像電子羞澀的「表親」。1929年德國科學家外爾（H.Weyl）提出：存在一種無「質量」的可以分為左旋和右旋兩種不同「手性」的電子，這種電子被稱為「外爾費米子」。

外爾費米子具有兩個關鍵特性：無質量而有手性。沒有質量意味著，它可以高速移動，同時它對與其手性不符的干擾具有極高的抵抗力，這就使它很難散射：兩束不同類型的外爾費米子流可以靠得很近卻不相互作用。有人提出，這些屬性使它可以成為超越自旋電子學運算能力的計算機的基礎。（科技日報記者劉霞）

註：文中圖片除註明外均來自網路

編輯：王小龍