——王康隆教授談發(fā)現(xiàn)“天使粒子”實(shí)驗(yàn)過程

本報(bào)記者 聶翠蓉

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    《達(dá)芬奇密碼》作者丹·布朗創(chuàng)作的另一部暢銷小說《天使與魔鬼》,，反物質(zhì)是故事的主要載體,。故事主人公是歐洲核子研究中心（CERN）的著名科學(xué)家，他在地下實(shí)驗(yàn)室秘密制造出的反物質(zhì)不翼而飛,，可能會因自行爆炸將整座城市毀滅,。在失蹤的24小時內(nèi)，主人公與盜取反物質(zhì)的勢力展開了斗智斗勇的冒險(xiǎn)之旅,。

    21日被華人科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)并公布的馬約拉納費(fèi)米子,，張首晟根據(jù)《天使與魔鬼》的內(nèi)容將其稱為“天使粒子”。他指出,，在馬約拉納費(fèi)米子的“量子世界”中,，只有天使，沒有魔鬼,。但主導(dǎo)這次研究的加州大學(xué)洛杉磯分校教授王康隆,，接受科技日報(bào)記者采訪時認(rèn)為，馬約拉納費(fèi)米子正反同體,，就像道家的陰陽八卦圖一樣,，因此叫“太極粒子”可能更貼切,。

    王教授表示,，這次發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)室13年來在材料和物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域長期堅(jiān)持的結(jié)果，是準(zhǔn)備了大量的實(shí)驗(yàn)材料,，做了大量的前期研究后,，才一步步實(shí)現(xiàn)的?！皩ξ覀儓F(tuán)隊(duì)而言,，這是一個意外的驚喜?！?/P>

    正反同體 神秘莫測

    標(biāo)準(zhǔn)物理理論模型中,，12種基本粒子被分成兩大家族：電子、質(zhì)子等8種粒子組成的費(fèi)米子家族和光子,、介子等4種粒子組成的玻色子家族,。一般認(rèn)為，每一種粒子都有其反粒子,，且狀態(tài)與粒子本身相反,，粒子與反粒子相遇會瞬間湮滅。

    但1937年,，埃托雷·馬約拉納預(yù)言,，有一類特殊的費(fèi)米子,，像光子等玻色子一樣，它們的反粒子就是自身,，這種費(fèi)米子被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”,。離奇的是，就在馬約拉納作出這一重大預(yù)測不久,，他給家人和單位分別留下一封短信,，帶著預(yù)支的半年薪水和所有科研資料，踏上一艘船后神秘失蹤,。80年來,，馬約拉納費(fèi)米子與馬約拉納本人，分別成為物理學(xué)家們和科幻小說的神秘主角,，只是關(guān)于馬約拉納的結(jié)局更多的是炒作,，如“被外星人接走了”；至于馬約拉納費(fèi)米子,，經(jīng)過幾代物理人的努力,，籠罩在其頭上的“面紗”一點(diǎn)點(diǎn)被揭開。

    時隔80載終現(xiàn)身

    近80年來,，世界各國物理學(xué)家從來沒有停止過對“天使粒子”的探尋,。科學(xué)家們相信,，中微子可能就是自己的反粒子,。目前，包括美國新墨西哥州濃縮氙觀測站實(shí)施的EXO-200等四個大型實(shí)驗(yàn)正在搜尋中微子,，但由于中微子不帶電,、質(zhì)量極小，被稱為宇宙中的“隱身人”,，這些尋找天然基本粒子的實(shí)驗(yàn)難度非常大,，估計(jì)十年內(nèi)也不會通過這些實(shí)驗(yàn)為“天使粒子”找到答案。

    直到10年前,，科學(xué)家們在探索材料物理學(xué)的一些實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),，有些材料內(nèi)可能產(chǎn)生“天使粒子”。于是,，科學(xué)家們在另一個“戰(zhàn)場”開始了搜尋“天使粒子”的競賽：由超導(dǎo)材料中電子集體行為產(chǎn)生的粒子式激發(fā),，稱為“準(zhǔn)粒子”。雖然準(zhǔn)粒子不像自然界的基本粒子,，但它們?nèi)员徽J(rèn)為是真正的馬約拉納費(fèi)米子,。

    這次研究中，加州大學(xué)洛杉磯分校王康隆團(tuán)隊(duì)根據(jù)自己在拓?fù)洳牧项I(lǐng)域10多年的積累，與多位華人科學(xué)家合作,，在真空冷藏室內(nèi),，將底部的拓?fù)浣^緣體材料和上面的超導(dǎo)體薄膜堆疊在一起，形成一種超導(dǎo)拓?fù)浣^緣體,，通過添加少量磁性材料,，讓電子只沿著拓?fù)浣^緣體表面的一個邊緣單向流動。再向堆疊的薄膜上掃過一塊磁鐵,，不斷調(diào)整電子的流動速度和方向,，在某些時刻，他們觀察到馬約拉納費(fèi)米子從超導(dǎo)層里出現(xiàn),，像電子一樣沿著拓?fù)浣^緣體的邊緣流動,，只是邁出的每一“步”，高度只有電子每步的一半,。這些“半步”,，就是研究人員一直在尋找的馬約拉納費(fèi)米子存在的鐵證。

    王康隆教授表示,，他們最初做實(shí)驗(yàn)時,，并沒有計(jì)劃一定要找到這個特別的粒子。2008年,，他們開始拓?fù)浣^緣體的研究,，最初是為了探索這種材料能否應(yīng)用于低功耗電子芯片的開發(fā)。因?yàn)槔碚擃A(yù)測指出,，馬約拉那費(fèi)米子可能存在于一種量子線和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中,，他們課題組才開始探尋神秘的馬約拉納費(fèi)米子。

    制造量子計(jì)算機(jī)的完美選擇

    這次發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子是一種手性粒子,，“手性”可大致理解為這種粒子只沿一個方向運(yùn)動,，可用來實(shí)現(xiàn)低能耗的信息傳輸和處理,。

    2016年6月,，上海交通大學(xué)賈金鋒課題組及其合作者在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表論文指出，他們在拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體形成的拓?fù)涑瑢?dǎo)體界面中,，觀察到特有的自旋極化電流,，為一維馬約拉納費(fèi)米子的存在提供了確鑿證據(jù)。

    而這次研究中,，王康隆主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次在二維空間觀察到手性馬約拉納費(fèi)米子的量子態(tài),，且在不同的樣品中能重復(fù)觀測。由于這次發(fā)現(xiàn)的是在二維邊界上延伸的手性模式,，可用于傳輸,，這對凝聚態(tài)中馬約拉納費(fèi)米子的研究和應(yīng)用將起到很大的推動作用。

    王康隆告訴科技日報(bào)記者，馬約拉納費(fèi)米子是制造量子計(jì)算機(jī)的完美選擇,。與現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)面臨的最大障礙——被環(huán)境噪音干擾不同,，未來量子計(jì)算機(jī)的每個量子比特信息可以用兩個相距很遠(yuǎn)的“天使粒子”存儲，這樣背景噪音就不可能對它們造成破壞,，它們攜帶的信息也不會丟失,。

    （科技日報(bào)北京7月23日電）

          ［本文轉(zhuǎn)自《科技日報(bào)》2017年7 月 24日第2 版。］