物理學(xué)重大突破：科學(xué)家找到“天使粒子”

人民網(wǎng)北京7月21日電 （洪蔚琳、趙永新）物理學(xué)迎來重大突破：由4位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)終于找到了正反同體的“天使粒子”——馬約拉那費(fèi)米子，從而結(jié)束了國際物理學(xué)界對這一神秘粒子長達(dá)80年的漫長追尋。

相關(guān)論文發(fā)表在今天出版的《科學(xué)》雜志上。該成果由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學(xué)教授張首晟課題組、上海科技大學(xué)寇煦豐課題組等多個團(tuán)隊(duì)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(xué)家。

張首晟接受本網(wǎng)記者采訪。趙永新攝

諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek評價這項(xiàng)工作時說: 張首晟與團(tuán)隊(duì)設(shè)計了全新的體系, 并在實(shí)驗(yàn)中清晰地測量到馬約拉那費(fèi)米子，這真是一項(xiàng)里程碑的工作。

國際同行指出：發(fā)現(xiàn)馬約拉那費(fèi)米子是繼發(fā)現(xiàn)“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑發(fā)現(xiàn)，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價值：讓量子計算成為現(xiàn)實(shí)。

“神秘的正反同體粒子，讓我們等了80年”

在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)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(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)。基本粒子又分為兩種：費(fèi)米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費(fèi)米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。

東方西方哲學(xué)家都認(rèn)為，人類似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有存款必有負(fù)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(xué)家狄拉克(Dirac)作出驚人的預(yù)言：宇宙中每一個基本費(fèi)米粒子必然有相對應(yīng)的反粒子。根據(jù)愛因斯坦E = mc2的質(zhì)能公式，當(dāng)一個費(fèi)米子遇上它的反粒子，它們會相互湮滅，從而使兩個粒子的質(zhì)量消失并轉(zhuǎn)化為能量。

從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認(rèn)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，意大利理論物理學(xué)家埃托雷?馬約拉那（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(fèi)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(xué)家門夢寐以求的探索目標(biāo)。

意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉那

科學(xué)家們認(rèn)為，在粒子物理中，標(biāo)準(zhǔn)模型范疇之外的中微子可能是馬約拉那費(fèi)米子。而要驗(yàn)證這一猜想，需要進(jìn)行無中微子的beta雙衰變實(shí)驗(yàn)。可惜的是，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所要求的精度在今后的10年到20年以內(nèi)都難以達(dá)到。

張首晟把突破口轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)物理。從2010年到2015年，張首晟團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表三篇論文，精準(zhǔn)預(yù)言了實(shí)現(xiàn)馬約拉那費(fèi)米子的體系及用以驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方案。王康隆等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)依照張首晟的理論預(yù)測，成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉那費(fèi)米子，為持續(xù)了整整80年的科學(xué)探索畫上了圓滿的句號。

張首晟將這一新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉那費(fèi)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》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認(rèn)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。

電影《天使與魔鬼》海報。

“今天的成果，是建立在發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上”

困擾了物理學(xué)界80年的難題是怎樣被破解的？張首晟認(rèn)為，任何科研工作都是建立在已有成果的基礎(chǔ)上。天使粒子的發(fā)現(xiàn)，得益于先前對量子反常霍爾效應(yīng)的探索，也是理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的成果。

最初，張首晟按常理做了一項(xiàng)推斷：既然馬約拉那費(fèi)米子只有粒子、沒有反粒子，那么它就相當(dāng)于傳統(tǒng)粒子的一半。他很快意識到，“一半”的概念就是解決問題的關(guān)鍵。

早在2008年，張首晟理論就預(yù)言了量子反常霍爾效應(yīng)，這一預(yù)言在2013年被清華大學(xué)教授薛其坤領(lǐng)銜的清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)中，隨著調(diào)節(jié)外磁場，反常量子霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)出量子平臺，對應(yīng)著1、0、-1倍基本電阻單位e2/ h。也就是說，量子世界里的電阻是量子化的，它只能整數(shù)倍地跳臺階。

這給了張首晟一個靈感：馬約拉那費(fèi)米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整數(shù)跳，馬約拉那費(fèi)米子或許就是按半整數(shù)跳——它一定會呈現(xiàn)出一個奇特的、“1/2的臺階”。由此，他預(yù)言手性馬約拉那費(fèi)米子存在于一種由量子反常霍爾效應(yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中。當(dāng)把普通超導(dǎo)體置于反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時，臨近效應(yīng)使之能夠?qū)崿F(xiàn)手性馬約拉那費(fèi)米子，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中會多出全新的量子平臺，對應(yīng) 1/2 倍基本電阻單位e2/ h。

張首晟團(tuán)隊(duì)提出的搜尋馬約拉那費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)平臺：由量子反常霍爾效應(yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件。

在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，激動人心的成果出現(xiàn)了：王康隆等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)確實(shí)看到了“1/2的臺階”。這半個基本電阻來源于馬約拉那費(fèi)米子作為半個傳統(tǒng)粒子的特殊性質(zhì)，因此，多出來的半整數(shù)量子平臺為手性馬約拉那費(fèi)米子的存在提供了有力的印證。

何慶林、王康隆實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和夏晶實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在與張首晟理論團(tuán)隊(duì)合作下所測量到的與理論預(yù)測符合的半量子電導(dǎo)平臺，這為馬約拉那費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)提供了直接而有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

“天使粒子帶來的量子計算時代，讓我充滿興奮和期待”

找到天使粒子有什么現(xiàn)實(shí)意義？張首晟指出，從基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要多年時間，但天使粒子的發(fā)現(xiàn)意味著量子計算已成為可能。

他解釋說，量子世界本質(zhì)上是平行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。因此，量子計算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的計算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計算機(jī)有效。以算術(shù)問題為例，如果給出一個很大的數(shù)字，問這個數(shù)字能否拆成兩個數(shù)字的乘積，那么經(jīng)典計算機(jī)只能用窮舉法逐一嘗試整除計算，而量子計算機(jī)可以在一瞬間同時完成所有可能項(xiàng)的測算。

一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。

然而，一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲就能毀滅其量子特性。因此，量子計算機(jī)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(tǒng)粒子內(nèi)儲存，容易被干擾。但如今，天使粒子的發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)的馬約拉那費(fèi)米子上。”張首晟說，如此一來，傳統(tǒng)的噪聲很難同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉那費(fèi)米子、進(jìn)而毀滅所存儲的量子信息。“相較于傳統(tǒng)的存儲方式，基于天使粒子的存儲方式極其穩(wěn)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(fèi)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，“我對天使粒子巡游的量子天堂充滿興奮與期待。”