“天使粒子”光芒綻放

“天使粒子”光芒綻放

什么是天使粒子？

根據物理學定義，粒子指能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分，現在已經發現的粒子達到400多種。按照粒子與各種相互作用的不同關系，將粒子分為3類，媒介子、輕子、強子。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作出驚人的預言：宇宙中的每個基本粒子都有一個與其對應的反粒子——電荷相反的“雙胞胎”。當粒子與反粒子相遇時，它們會湮滅，同時釋放出一股能量。果然，幾年后第一個反物質——電子的反粒子被發現。從此以后，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，另一位物理學家埃托里·馬約拉納就指出了一個反轉：他預測，在一類被稱為“費米子”的粒子（包括了質子、中子、電子、中微子和夸克）中，應該有一些粒子，自己就是自己的反粒子。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后在一次乘船旅行中神秘失蹤。自此以后，尋找這一神奇粒子成為了物理學家們夢寐以求的探索目標。

大約10年前，科學家們意識到馬約拉納費米子還可能在材料物理的實驗中制造出來，于是，一場找到這種粒子的“競賽”在學界拉開了帷幕。他們尋找的，其實是“準粒子”。所謂準粒子是復雜系統的一種物理現象，它雖然不是“真”的粒子，但是其行為就像是一個粒子。在超導材料中，許多電子的集合行為，就能產生出準粒子。

實際上，對于馬約拉納費米子的尋找已經從純粹的粒子物理的方式轉變為凝聚態物理的方式。凝聚態物理學家認為，調控固體材料中大量電子的集體運動模型，可以獲得“準馬約拉納費米子”。

張首晟就是把研究的突破口轉向了凝聚態物理。從2010年到2015年，張首晟團隊連續發表3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年的科學探索交出了一個里程碑式的成果。

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”，這個名字來源于丹·布朗的小說及其電影——《天使與魔鬼》。這部小說和電影描繪了一個驚人的后果，物質世界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。“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。”張首晟如是詮釋他這一頗具浪漫色彩的命名。而這一命名與被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子頗有對應的意味。

需要指出的是，此次宣布發現的“馬約拉納費米子”并不是真正的粒子，更不是所謂的基本粒子，而是“準粒子”，是作為固態系統中簡化多體問題的手段之一而引入的數學模型。

對此，文章的第一作者、加州大學洛杉磯分校（UCLA）的何慶林這樣解釋他們這次的研究發現：“本次研究是利用了反常量子霍爾絕緣體與超導體的耦合機制而形成一種新的拓撲量子態，稱為拓撲超導體。UCLA團隊利用分子束外延技術，制備了只有6納米厚的反常量子霍爾絕緣體薄膜，然后在表層沉積超導體后將樣品冷卻至接近絕對零度，通過外加電場和磁場的調控，測試樣品的量子電導，來證明了具有馬約拉納費米子激發的輸運態，并且世界上首次實現其粒子的量子化，因此這一工作是世界上首次實驗證明這種粒子存在的最有力證據。”

文章的共同第一作者、加州大學洛杉磯分校的潘磊表示：“馬約拉納費米子本來是一個高能物理概念，是一種有質量的基本粒子，很多人認為中微子就是馬約拉納費米子。這里要說明，現在所有的發現，都不是真正看到了馬約拉納費米子，而是發現了‘符合馬約拉納費米子性質的激發態’。”

中山大學天文與空間科學研究院院長李淼對此評價說，這個發現不是基本粒子，而是在極低溫條件之下以及二維材料的邊界上造成的某種量子態，這個態滿足中性粒子的要求，即其反態就是自身。鑒于這種量子態需要極端條件，距離應用還比較遠，如果用一句大白話來解釋，就是“凝聚態物理還沒有攻陷粒子物理”。

“天使粒子”是怎么被發現的？

雖然張首晟團隊2015年就預言，如果在磁性拓撲絕緣體上面再疊加一個超導體，就會組成拓撲超導體，由此將找到“天使粒子”，但是，將磁性的拓撲絕緣體與超導體疊加并不簡單。

論文共同通訊作者、上海科技大學信息科學與技術學院助理教授寇煦豐說，磁性拓撲絕緣體和超導體這兩個材料會互相影響，要找到一個準確窗口，讓這兩個對抗的材料互不干擾非常難。最終，在美國加利福尼亞大學戴維斯分校和洛杉磯分校的共同努力下，合成了這種疊加器件。

經歷了一次次無功而返和對材料參數的不斷優化，王康隆團隊終于抓到了機遇窗口，在電學測量實驗中成功觀測到了張首晟團隊理論預言的“半整數量子臺階”，也是“天使粒子”存在的證據。

“第一次觀測到‘天使粒子’時，驚喜而振奮！這是大自然對孤獨者的獎賞。”張首晟回憶，論文送審期間，他們還在不斷復盤，確保結論經得住檢驗。

王康隆說，“審稿人審了整整一年，他們每提出一個疑問，我們都會用30多頁紙回復。為此，我們增加了很多補充實驗。”

圖片來源于科學漫畫sheldon42

實驗設計的主要貢獻人、美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的王康隆也說，“天使粒子”的發現是“偶然中的驚喜”。“我們最初的設想是找到一種理想的拓撲絕緣體薄膜材料，因此累積生產了3000多片薄膜，但在實驗過程中，我們發現這套設計方案非常適合觀測‘天使粒子’，所以做了重新規劃。”

實驗中，幾位物理學家把一種由金和鈮組成的固體作成薄片，夾在另一種由碲銻鉍鉻組成的固體薄片中間（即量子反常霍爾絕緣體，當它與前面的薄片結合后，在一定條件下可變成拓撲超導體），然后降溫到絕對零度附近，再加上電場和磁場。結果發現，在這兩個二維固體的一維邊界上，電子突然開始按照一種特殊的方式轉圈了。其背后的數學，和馬約拉納費米子的數學存在相似之處。

簡述實驗步驟：

1.研究團隊將兩種量子材料——一種超導體和一種磁拓撲絕緣體的薄膜堆疊在一起，其中，上層薄膜是一種超導體，底層則是一種拓撲絕緣體。

2.整個儀器放在低溫真空室里，讓電流從中通過，由于底層是一種拓撲絕緣體，因此電流只會在其表面或邊緣傳導，而不經過其內部。它們在一起形成了一種超導—拓撲絕緣體，電子毫無阻力地沿著材料表面的兩個邊緣流動，如同高速公路上飛馳的汽車。

3.研究人員在薄膜堆上掃過一塊磁鐵，通過添加少量的磁性材料來調整拓撲絕緣體，使電子沿著表面兩邊的電子沿著相反的方向流動。

4.電子流動方向的變化并不連續，而是一步步地突然發生，就像在樓梯上的一級級臺階一樣。在這個循環中的某些時刻，馬約拉納費米子的證據就出現了。它們成對地從超導層里誕生，像電子一樣沿拓撲絕緣體的邊緣流動。

這個發現的重要意義

這個發現是否重要？可以肯定地說：是的。最直觀的，我們手機、電腦等的使用本質上都是在操縱電子。而這種新型的操縱電子的方式，將有助于發明一種比普通量子計算機抗干擾能力更強的拓撲量子計算機。

“天使粒子”的發現，對構建拓撲量子計算機意義重大。世界上最快的超級計算機100年才能完成的計算量，拓撲量子計算機0.01秒就能完成。盡管計算效率驚人，但業界認為，量子計算距離真正應用至少要50年，因為科學家還沒找到合適的量子計算材料。

“天使粒子”的發現破解了這一難題。此外，“天使粒子”還將推動人工智能實現“量子的跳躍”，“人工智能的核心是算法。如果依托量子計算機開展運算，人工智能就可以將以前多個步驟才能完成的計算簡化為一步，從而最快找到最優化解決途徑，這將引發各行各業的深刻變革。

另據上海交通大學教授賈金鋒介紹，暗物質出來以后，有理論預言暗物質的備選粒子也是馬約拉納費米子，所以如果能夠找到馬約拉納費米子，也將有助于人們理解暗物質。