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物理学历史性突破:华人科学家找到“天使粒子”

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  在物理学领域,组成物质的最小、最基本的单元被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性条件下的最小体积物质,也是组成林林总总物体的基础。基本粒子又分为两种:费米子和玻色子,划分以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。

  “神秘的正反同体粒子,让我们等了80年”

  张首晟把突破口转向凝聚态物理。从2010年到2015年,张首晟团队一连揭晓三篇论文,精准预言了实现马约拉那费米子的系统及用以验证的实验方案。来自加利福尼亚大学洛杉矶分校和加利福尼亚大学欧文分校的两个实验团队遵照张首晟的理论展望,乐成发现了手性马约拉那费米子,为连续了整整80年的科学探索画上了圆满的句号。

  “通常情形下,量子比特只能放在一个传统粒子内储存,容易被滋扰。但现在,天使粒子的发现提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够被拆成两半,存储在两个距离十分遥远的马约拉那费米子上。”张首晟说,云云一来,传统的噪声很难同时以同样的方式影响这两个马约拉那费米子、进而扑灭所存储的量子信息。“相较于传统的存储方式,基于天使粒子的存储方式极其稳固。”

  泉源:外洋网

一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。

  然而,一个量子比特的信息很是难以存储,微弱的情况噪声就能扑灭其量子特征。因此,量子盘算机往往被视为可望不行即的梦想。

张首晟接受本网记者采访。赵永新摄张首晟接受本网记者采访。赵永新摄

  诺贝尔奖获得者Frank Wilczek评价这项事情时说: 张首晟与团队设计了全新的系统, 并在实验中清晰地丈量到马约拉那费米子,这真是一项里程碑的事情。

  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”,这个名字泉源于丹·布朗的小说及其影戏《天使与妖怪》。“这部作品形貌了正反粒子湮灭爆炸的场景。已往我们以为有粒子必有其反粒子,正若有天使必有妖怪。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有妖怪的完善天下。”张首晟说。

  困扰了物理学界80年的难题是怎样被破解的?张首晟以为,任何科研事情都是建设在已有结果的基础上。天使粒子的发现,得益于先前对量子反常霍尔效应的探索,也是理论和实验联合的结果。

  相关论文揭晓在今天出书的《科学》杂志上。有意思的是,团结完成该结果的三个研究团队的领衔者均为华人科学家:美国斯坦福大学教授张首晟理论团队与加利福尼亚大学洛杉矶分校何庆林、王康隆实验团队和加利福尼亚大学欧文分校的夏晶实验团队。其中,张首晟教授是中科院外籍院士、“千人企图”学者、清华大学教授。

  在后续的实验验证中,激感人心的结果泛起了:两个实验团队确实看到了“1/2的台阶”。这半个基本电阻泉源于马约拉那费米子作为半个传统粒子的特殊性子,因此,多出来的半整数目子平台为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。

  人民网北京7月21日电(洪蔚琳、赵永新)物理学又获历史性突破:由4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉那费米子,从而竣事了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。

  东方西方哲学家都以为,人类似乎生涯在一个充满正阻挡立的天下:有正数必有负数,有存款必有欠债,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(Dirac)作出惊人的预言:宇宙中每一个基本费米粒子一定有相对应的反粒子。凭据爱因斯坦E = mc2的质能公式,当一个费米子遇上它的反粒子,它们会相互湮灭,从而使两个粒子的质量消逝并转化为能量。

  “我们提出的器件同时照旧二维系统,从而允许马约拉那费米子的纠缠和编辫,使得有用的量子盘算成为可能,从而解决人类面临的一些艰难问题。”张首晟说,“我对天使粒子巡游的量子天堂充满兴奋与期待。”

影戏《天使与妖怪》海报影戏《天使与妖怪》海报

  “今天的结果,是建设在发现量子反常霍尔效应的基础上”

  “天使粒子带来的量子盘算时代,让我充满兴奋和期待”

  最初,张首晟按常理做了一项推断:既然马约拉那费米子只有粒子、没有反粒子,那么它就相当于传统粒子的一半。他很如意识到,“一半”的观点就是解决问题的要害。

  他诠释说,量子天下本质上是平行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。因此,量子盘算性能够举行高度并行的盘算,远比经典盘算机有用。以算术问题为例,若是给出一个很大的数字,问这个数字能否拆成两个数字的乘积,那么经典盘算机只能用穷举法逐一实验整除盘算,而量子盘算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。

  何庆林、王康隆实验团队和夏晶实验团队在与张首晟理论团队互助下所丈量到的与理论展望切合的半量子电导平台,这为马约拉那费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。

  找到天使粒子有什么现实意义?张首晟指出,从基本科学发现到手艺应用往往需要多年时间,但天使粒子的发现意味着量子盘算已成为可能。

  早在2008年,张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应,这一预言在2013年被清华大学教授薛其坤领衔的清华大学物理系和中科院物理研究所团结组成的实验团队证实。在实验中,随着调治外磁场,反常量子霍尔效应薄膜出现出量子平台,对应着1、0、-1倍基本电阻单元e2/ h。也就是说,量子天下里的电阻是量子化的,它只能整数倍地跳台阶。

  这给了张首晟一个灵感:马约拉那费米子是通常粒子的一半,既然通常的粒子按整数跳,马约拉那费米子或许就是按半整数跳——它一定会出现出一个奇异的、“1/2的台阶”。由此,他预言手性马约拉那费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和通俗超导体薄膜组成的混淆器件中。当把通俗超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时,邻近效应使之能够实现手性马约拉那费米子,响应的实验中会多出全新的量子平台,对应 1/2 倍基本电阻单元e2/ h。

  国际偕行指出:发现马约拉那费米子是继发现“天主”粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑发现,不仅具有重大的理论意义,而且具有主要的潜在应用价值:让量子盘算成为现实。

  张首晟团队提出的征采马约拉那费米子的实验平台:由量子反常霍尔效应薄膜和通俗超导体薄膜组成的混淆器件。

意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那

  科学家们以为,在粒子物理中,尺度模子领域之外的中微子可能是马约拉那费米子。而要验证这一料想,需要举行无中微子的beta双衰变实验。惋惜的是,这项实验所要求的精度在以后的10年到20年以内都难以到达。

责任编辑:张岩

  今后以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被以为是绝对真理。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,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那(Ettore Majorana)在他的论文中推测有这样神奇的粒子存在,即我们今天所称的马约拉那费米子。不幸的是,他本人做出这一推测后在一次搭船旅行中神秘失踪。自此以后,寻找这一神奇粒子成为了物理学家门求之不得的探索目的。

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