苗千:什么是“天使粒子”?

Sanlian shenghuo zhoukan - - 目录 -

过去几年来,尽管造成过种种误解,人们也开始逐渐习惯了在粒子标准模型中有着特殊地位的希格斯玻色子被称为“上帝粒子”,这本来是媒体在报道粒子物理学的进展时记者与编辑的一个误会,如今却已经成为希格斯玻色子的别名。2017年 7 月 21日,《科学》( Science)杂志上刊载的一篇论文,又让“天使粒子”一词进入了人们的视野,难免会让人感到莫名其妙。这是怎么样的一个粒子,又因何得名?

在《科学》杂志上刊登的是来自加州大学和斯坦福大学的几位华裔物理学家合作研究的成果——《绝缘体-超导体结构量子反常霍尔效应的手性马约拉纳费米子模式》( Chiral Majorana Fermion Modes in a Quantum Anomalous Hall Insulator-Superconductor Structure),论文的标题读起来或许有些拗口,但它所展示的是通过凝聚态物理学技术,一种新的手段,模拟出了一种仅仅在理论中存在的奇异粒子。

1928 年,英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)将量子力学的基础——薛定谔方程进行推广,使之与狭义相对论相容,提出了“狄拉克方程”。这个方程展示出了极强的预测能力。根据狄拉克方程的描述,每个费米子都应该有一种与之质量相同、电量相反的粒子,被称为“反粒子”(anti-particle),这个预测第一次让人意识到了反物质存在的可能。1932年,人们在宇宙射线中发现了带有正电荷的电子的反粒子:正电子,反物质的概念得到了验证。

延续狄拉克的论断,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在 1937 年发表论文,提出了可能存在着一种奇异的费米子,它就是其自身的反粒子,这种假想中的粒子随后也就被称为“马约拉纳费米子”(Majorana fermion)。迄今为止 80 年的时间过去了,尽管很多物理学家相信马约拉纳费米子确实存在,但人们仍然未发现确切的实验证据。很多人猜测,在宇宙中粒子数量排名第二,无时无刻不在穿越地球和我们的身体的中微子可能就是一种马约拉纳费米子,但是问题在于中微子以接近光速的速度在宇宙中穿行,极少与其他任何物质发生相互作用,想

这种奇异的粒子因何得名?

要对其进行可控的实验难度极大。

目前在全世界有多个实验项目都在进行中微子实验,希望通过实验观测发现中微子就是马约拉纳费米子的证据。但因为这类实验难度极大,人们估计,起码在 10年之内不会有决定性的进展。

那么,是否有可能通过其他方式观测到马约拉纳费米子的行为?尽管在粒子物理学领域难度极大,但是人们有可能绕开粒子物理学对于真正基础粒子的探测而选择利用凝聚态物理学的手段,在某些特殊的实验条件下,通过人造环境观测到马约拉纳费米子的一些特征。

斯坦福大学的华裔物理学家张首晟此前提出了实验设想,利用一些特殊的材料,在特殊的实验条件下有可能观测到行为与马约拉纳费米子的行为相似的“准粒子”(quasiparticle)。在此启发之下,加州大学的几位华人科学家在一片磁性拓扑绝缘体材料上放置了一片超导体材料,再把实验材料在真空中置于极低温下,然后接通电流。在这种极其特殊的实验条件下,由于拓扑绝缘体材料的特性,电子只能在材料的两个边缘无阻碍地单向流动。而后实验人员再在实验环境中加入磁场,在磁场的作用下,电子的活动变缓,乃至停止,然后倒流。

这样的变化并非是以连续舒缓的形式进行,而是 以量子式一个一个“台阶”的方式发生。在这种情况下,马约拉纳准粒子就会在超导层中成对地出现,这也是人类首次在这样的实验材料中观测到马约拉纳准粒子的行为。虽然迄今为止人类仍然没有在真正的粒子物理学观测中发现马约拉纳费米子,但是在这样的特殊实验条件下,可以说观测到了完全符合理论预测的马约拉纳费米子的行为。因为马约拉纳费米子是自身的反粒子,它只算是“半个”量子,因此在量子反常霍尔效应的观测中,人们可以看到“半个台阶”,这正是马约拉纳费米子在理论上最重要的特征之一。而观测到这样的现象,也是凝聚态物理学领域的一个重要突破。

2004年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·维尔切克(Franck Wilczek)这样评价这项实验结果:“它非常清晰地观测到了一些新东西,在基础层面它不是非常地令人吃惊,因为物理学家们猜测在这样的实验材料中可能观测到马约拉纳费米子出现已经有很长的时间,但是他们把几个实验因素前所未有地结合了起来,然后使这种粒子以一种无可置疑的清晰的方式被观测到,这是一个真正的里程碑。”

虽然“准粒子”并非是一种真正的基础粒子,而是实验材料在某种特殊条件下被激发产生出的一种类似于基础粒子的行为方式,但是对于马约拉纳费米子的实验观测有可能在未来对量子计算机的研究有重要意义。量子计算机的基础正是在于微观粒子的“量子态”,这种特殊又令人迷惑的状态非常容易受到周围环境的干扰而被破坏,这也是目前量子计算机研究最大的障碍之一。为了保证不受周围环境噪声的影响,目前所有的量子计算机都被设置在接近绝对零度的极低温下进行工作。而马约拉纳费米子,因为其就是自身的反粒子,每个粒子相当于“半个”量子,因此,一个“量子比特”(qubit)可以被存储在两个相隔较远的马约拉纳费米子中,只有这两个粒子同时受到破坏,其中所存储的信息才会丢失。在理论上利用马约拉纳费米子建造的量子计算机更不容易受到周围环境的影响,工作会更加稳定。

张首晟在接受采访时,把这个被观测到的马约拉纳费米子现象称为“天使粒子”,其灵感来自于美国作家丹·布朗(Dan Brown)的畅销小说《天使与魔鬼》( Angels and Demons ),这本书中的情节包括有人试图利用反物质炸弹炸毁梵蒂冈。而根据马约拉纳费米子的性质,物质与反物质属于同体,所以可以说只有“天使”没有“魔鬼”,也可说是“天使”与“魔鬼”同体了。

左图:诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院理论物理学家弗兰克·维尔切克

右图:英国物理学家保罗·狄拉克

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