“天使粒子”光芒绽放

“天使粒子”光芒绽放

什么是天使粒子？

根据物理学定义，粒子指能够以自由状态存在的最小物质组成部分，现在已经发现的粒子达到400多种。按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为3类，媒介子、轻子、强子。在物理学领域，构成物质的最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质，也是组成各种各样物体的基础。基本粒子又分为两种：费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。

东方西方哲学家都认为，人类似乎生活在一个充满正反对立的世界：有正数必有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有善必有恶，有天使必有恶魔。1928年，伟大的理论物理学家狄拉克作出惊人的预言：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭，同时释放出一股能量。果然，几年后第一个反物质——电子的反粒子被发现。从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。

然而，会不会存在一类没有反粒子的粒子，或者说正反同体的粒子？

1937年，另一位物理学家埃托里·马约拉纳就指出了一个反转：他预测，在一类被称为“费米子”的粒子（包括了质子、中子、电子、中微子和夸克）中，应该有一些粒子，自己就是自己的反粒子。即我们今天所称的“马约拉那费米子”。不幸的是，他本人做出这一猜测后在一次乘船旅行中神秘失踪。自此以后，寻找这一神奇粒子成为了物理学家们梦寐以求的探索目标。

大约10年前，科学家们意识到马约拉纳费米子还可能在材料物理的实验中制造出来，于是，一场找到这种粒子的“竞赛”在学界拉开了帷幕。他们寻找的，其实是“准粒子”。所谓准粒子是复杂系统的一种物理现象，它虽然不是“真”的粒子，但是其行为就像是一个粒子。在超导材料中，许多电子的集合行为，就能产生出准粒子。

实际上，对于马约拉纳费米子的寻找已经从纯粹的粒子物理的方式转变为凝聚态物理的方式。凝聚态物理学家认为，调控固体材料中大量电子的集体运动模型，可以获得“准马约拉纳费米子”。

张首晟就是把研究的突破口转向了凝聚态物理。从2010年到2015年，张首晟团队连续发表3篇论文，精准预言了实现马约拉那费米子的体系及用以验证的实验方案。王康隆等实验团队依照张首晟的理论预测，成功发现了手性马约拉那费米子，为持续了整整80年的科学探索交出了一个里程碑式的成果。

张首晟将这一新发现的手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”，这个名字来源于丹·布朗的小说及其电影——《天使与魔鬼》。这部小说和电影描绘了一个惊人的后果，物质世界中正反粒子的碰撞会将所有质量以能量的形式释放出，从而湮灭整个世界。“过去我们认为有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我们找到了一个没有反粒子的粒子，一个只有天使，没有魔鬼的完美世界。”张首晟如是诠释他这一颇具浪漫色彩的命名。而这一命名与被称为“上帝粒子”的希格斯粒子颇有对应的意味。

需要指出的是，此次宣布发现的“马约拉纳费米子”并不是真正的粒子，更不是所谓的基本粒子，而是“准粒子”，是作为固态系统中简化多体问题的手段之一而引入的数学模型。

对此，文章的第一作者、加州大学洛杉矶分校（UCLA）的何庆林这样解释他们这次的研究发现：“本次研究是利用了反常量子霍尔绝缘体与超导体的耦合机制而形成一种新的拓扑量子态，称为拓扑超导体。UCLA团队利用分子束外延技术，制备了只有6纳米厚的反常量子霍尔绝缘体薄膜，然后在表层沉积超导体后将样品冷却至接近绝对零度，通过外加电场和磁场的调控，测试样品的量子电导，来证明了具有马约拉纳费米子激发的输运态，并且世界上首次实现其粒子的量子化，因此这一工作是世界上首次实验证明这种粒子存在的最有力证据。”

文章的共同第一作者、加州大学洛杉矶分校的潘磊表示：“马约拉纳费米子本来是一个高能物理概念，是一种有质量的基本粒子，很多人认为中微子就是马约拉纳费米子。这里要说明，现在所有的发现，都不是真正看到了马约拉纳费米子，而是发现了‘符合马约拉纳费米子性质的激发态’。”

中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对此评价说，这个发现不是基本粒子，而是在极低温条件之下以及二维材料的边界上造成的某种量子态，这个态满足中性粒子的要求，即其反态就是自身。鉴于这种量子态需要极端条件，距离应用还比较远，如果用一句大白话来解释，就是“凝聚态物理还没有攻陷粒子物理”。

“天使粒子”是怎么被发现的？

虽然张首晟团队2015年就预言，如果在磁性拓扑绝缘体上面再叠加一个超导体，就会组成拓扑超导体，由此将找到“天使粒子”，但是，将磁性的拓扑绝缘体与超导体叠加并不简单。

论文共同通讯作者、上海科技大学信息科学与技术学院助理教授寇煦丰说，磁性拓扑绝缘体和超导体这两个材料会互相影响，要找到一个准确窗口，让这两个对抗的材料互不干扰非常难。最终，在美国加利福尼亚大学戴维斯分校和洛杉矶分校的共同努力下，合成了这种叠加器件。

经历了一次次无功而返和对材料参数的不断优化，王康隆团队终于抓到了机遇窗口，在电学测量实验中成功观测到了张首晟团队理论预言的“半整数量子台阶”，也是“天使粒子”存在的证据。

“第一次观测到‘天使粒子’时，惊喜而振奋！这是大自然对孤独者的奖赏。”张首晟回忆，论文送审期间，他们还在不断复盘，确保结论经得住检验。

王康隆说，“审稿人审了整整一年，他们每提出一个疑问，我们都会用30多页纸回复。为此，我们增加了很多补充实验。”

图片来源于科学漫画sheldon42

实验设计的主要贡献人、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的王康隆也说，“天使粒子”的发现是“偶然中的惊喜”。“我们最初的设想是找到一种理想的拓扑绝缘体薄膜材料，因此累积生产了3000多片薄膜，但在实验过程中，我们发现这套设计方案非常适合观测‘天使粒子’，所以做了重新规划。”

实验中，几位物理学家把一种由金和铌组成的固体作成薄片，夹在另一种由碲锑铋铬组成的固体薄片中间（即量子反常霍尔绝缘体，当它与前面的薄片结合后，在一定条件下可变成拓扑超导体），然后降温到绝对零度附近，再加上电场和磁场。结果发现，在这两个二维固体的一维边界上，电子突然开始按照一种特殊的方式转圈了。其背后的数学，和马约拉纳费米子的数学存在相似之处。

简述实验步骤：

1.研究团队将两种量子材料——一种超导体和一种磁拓扑绝缘体的薄膜堆叠在一起，其中，上层薄膜是一种超导体，底层则是一种拓扑绝缘体。

2.整个仪器放在低温真空室里，让电流从中通过，由于底层是一种拓扑绝缘体，因此电流只会在其表面或边缘传导，而不经过其内部。它们在一起形成了一种超导—拓扑绝缘体，电子毫无阻力地沿着材料表面的两个边缘流动，如同高速公路上飞驰的汽车。

3.研究人员在薄膜堆上扫过一块磁铁，通过添加少量的磁性材料来调整拓扑绝缘体，使电子沿着表面两边的电子沿着相反的方向流动。

4.电子流动方向的变化并不连续，而是一步步地突然发生，就像在楼梯上的一级级台阶一样。在这个循环中的某些时刻，马约拉纳费米子的证据就出现了。它们成对地从超导层里诞生，像电子一样沿拓扑绝缘体的边缘流动。

这个发现的重要意义

这个发现是否重要？可以肯定地说：是的。最直观的，我们手机、电脑等的使用本质上都是在操纵电子。而这种新型的操纵电子的方式，将有助于发明一种比普通量子计算机抗干扰能力更强的拓扑量子计算机。

“天使粒子”的发现，对构建拓扑量子计算机意义重大。世界上最快的超级计算机100年才能完成的计算量，拓扑量子计算机0.01秒就能完成。尽管计算效率惊人，但业界认为，量子计算距离真正应用至少要50年，因为科学家还没找到合适的量子计算材料。

“天使粒子”的发现破解了这一难题。此外，“天使粒子”还将推动人工智能实现“量子的跳跃”，“人工智能的核心是算法。如果依托量子计算机开展运算，人工智能就可以将以前多个步骤才能完成的计算简化为一步，从而最快找到最优化解决途径，这将引发各行各业的深刻变革。

另据上海交通大学教授贾金锋介绍，暗物质出来以后，有理论预言暗物质的备选粒子也是马约拉纳费米子，所以如果能够找到马约拉纳费米子，也将有助于人们理解暗物质。