发现“天使粒子”/马拉约那费米子新成果专家解读

发现“天使粒子”/马拉约那费米子新成果专家解读

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7月21日,有关物理学获得重大突破、科学家找到“天使粒子”的新闻,引起了物理学界的广泛关注。

在加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个华人科学家团队共同努力下,在实验中观测到了一维手征马约拉纳费米子模。相关论文发表在当日出版的《科学》杂志上。

发现马约拉纳费米子?

有粒子必有其反粒子,这一度被认为是永恒不变的真理。但1937年,意大利理论物理学家马约拉纳预言了一种自己是自己反粒子的粒子,也就是如今所说的马约拉纳费米子。

该粒子的特殊性质,令物理学界对相关研究十分关注。因而,此次相关成果对外发布后,实验是否真正观测到了马约拉纳费米子,也成为了人们关注的一大焦点。

“这次宣布的发现是一维手征马拉约那费米子,它是一个只能在一维线上往一个方向跑的自己是自己反粒子的费米子。”麻省理工学院教授文小刚告诉《中国科学报》记者,这与高能物理寻找80年的马约拉纳费米子很不相同,该马约拉纳费米子是三维的。

事实上,上世纪90年代,科学家就预言了一维手征马约拉纳费米子,又称“天使粒子”,可以出现在二维手征p波超导体的边界上。

“这次的新工作发现了一个具体的界面系统,可以模拟或者实现二维手征p波超导体,从而也实现了一维手征马拉约那费米子。”文小刚告诉记者。

有专家通过查阅此次成果在《科学》杂志发表的文章后也证实,文章表述的是团队在实验中观测到了一维手征马约拉纳费米子模,也就是文小刚所说的一维手征马拉约那费米子。

专家解释称,这说明科学家通过观察输运性质看到了马约拉纳模,也就是在电子准粒子系统中,看到了类似于马约拉纳费米子的量子态。

此粒子非彼粒子?

“当代凝聚态物理中涉及到的这些所谓‘新粒子’,无论是外尔费米子还是马约拉纳费米子,都是在‘准粒子’或‘元激发’意义上而言的。”中科院物理所研究员戴希解释称。

所谓的准粒子,实际上并不是一个粒子,而是成千上万的粒子运动模式(也就是波),对外而言,这种波如同一个粒子。

专家借此来强调,此次的发现,并不是在真实的光子、电子系统中看到了另外一个真实存在的粒子。

“从他们找到的材料体系看,这是近年来凝聚态物理中第四个观察到马约拉纳型准粒子存在证据的物理体系,相比前几个体系,应该说稳定性和鲁棒性更强。”戴希说。

更重要的是,戴希强调,此次科学家在实验中真正看到了一个霍尔效应的半整数平台,这是存在马约拉纳型准粒子的一个重要理论预言。

文小刚也表示,“这次实验直接测到的是半整数量子化电导,它间接意味着手征马拉约拉费米子存在的可能性。”

量子计算迎来春天?

此次发布的成果之所以引起如此多的关注,除了与神秘的马拉约那费米子之间的关联外,也因为其潜在的实用价值——量子计算。

戴希告诉记者,与粒子物理中研究的“真实粒子”相比,粒子物理中发现的新粒子让我们对宇宙的历史和未来形成更深刻的理解,而凝聚态里面的这些新“准粒子”,则给科学家操控和利用它们提供了巨大的可能性。

专家表示,未来做量子计算有各种方式,但现在看来拓扑的量子计算可能是最好的。而拓扑中用来做量子计算的单元——比特,需要满足非阿贝尔规律,马约拉纳零能模,也就是非阿贝尔粒子正好满足这一规律,这也是大家把相关研究与量子计算关联起来的原因。

“此次实验用全新的设计,实现了二维手征p波超导体,其中的磁旋涡,也应该是非阿贝尔粒子。”文小刚曾在1993年的一个工作指出,边界上的一维手征马拉约那费米子,意味着体中一定存在非阿贝尔粒子。不过,此次实验并没有直接检测非阿贝尔粒子。

专家同时也强调,目前只是测出了边界上的手征马约拉纳费米子,需要有多个体中的非阿贝尔粒子才能形成量子比特,而量子计算需要多个量子比特按要求进行运算才能实现。

“毕竟离实际操控马约拉纳零能模,以实现拓扑量子计算还有很长的距离要走。”戴希说。

最后,值得一提的是,去年上海交通大学贾金锋小组,利用傅亮-Kane的设计模拟了p波超导,并得到了非阿贝尔粒子比较强的证据;两三年前,物理所的丁洪小组,发现了在一种铁基超导体的表面也有非阿贝尔粒子的迹象。

“这次实验边界上的手征马拉约纳费米子,是非阿贝尔粒子的另一个间接证据。所有这些证据都是间接的,但证据越多,我们就越有信心。”文小刚说。


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