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华人研究团队发现新粒子,这其中会有下一个诺奖得主吗?

作者:汪思颖
2017/07/24 09:43

雷锋网(公众号:雷锋网)按:作为杨振宁的学生,如果华人物理学家张首晟也获得诺贝尔物理学奖,那将是诺奖历史上的一件盛事,也将是中国的一件盛事。

华人研究团队发现新粒子,这其中会有下一个诺奖得主吗?

图:张首晟

据7月21日出版的《科学》杂志报导,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团队共同完成了一项重大发现:他们发现了正反同体的“天使粒子”——马约拉那(Majorana)费米子,结束了国际物理学界长达80年的漫长探索。

值得一提的是,作为近几年诺贝尔物理学奖的热门候选人,不知道张首晟教授能否借由这个粒子的发现,一举夺得今年的诺贝尔物理学奖呢?

1937-2017,80年探索

自古以来,不论东西方哲学家,都认为人类似乎生活在一个充满对立的世界,有黑必有白,有正必有负。这个理论同样适用于物理学,宇宙中存在粒子,必然也会存在其对应的反粒子。

1937年,意大利理论物理学家埃托雷•马约拉那(Ettore Majorana)对这项“真理”提出了质疑。在他的论文中猜测,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?自此,寻找他提到的这一粒子成为物理学家一直以来的探索目标。但是进展一直缓慢,因为基础物理的研究是一段极为漫长的过程,一个重大的发现往往需要50年甚至100年之久。

华人研究团队发现新粒子,这其中会有下一个诺奖得主吗?

图:意大利物理学家埃托雷·马约拉纳

50年已过,好在不需要再等下一个50年。

据相关报导:

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联合组成的实验团队证实。在实验中,随着调节外磁场,反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台,对应着1、0、-1倍基本电阻单位e2/ h。也就是说,量子世界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——它一定会呈现出一个奇特的、“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普通超导体薄膜组成的混合器件中。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时,临近效应使之能够实现手性马约拉那费米子,相应的实验中会多出全新的量子平台,对应 1/2 倍基本电阻单位e2/ h。

华人研究团队发现新粒子,这其中会有下一个诺奖得主吗?

图:搜寻手性Majorana费米子的实验平台

在后续的实验验证中,激动人心的成果出现了:王康隆等实验团队确实看到了“1/2的台阶”。这半个基本电阻来源于马约拉那费米子作为半个传统粒子的特殊性质,因此,多出来的半整数量子平台为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。

华人研究团队发现新粒子,这其中会有下一个诺奖得主吗?

图:多个团队合作下所测量到的与理论预测符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。

Majorana费米子,让我们离量子计算更近一步

从基本科学发现到技术应用,中间往往需要经历多年。张首晟表示,天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能,可以看到实际的应用前景。

在这里要解释一下量子计算。

量子计算是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机(或称传统电脑),量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。量子计算机能做出离散对数运算,而且速度远胜传统电脑。因为量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态。如果把半导体比喻成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况,因此,一个40比特的量子计算机,就能在很短时间内解开1024比特电脑花上数十年解决的问题。

华人研究团队发现新粒子,这其中会有下一个诺奖得主吗?

图:D-Wave系统公司的量子计算机,运行条件极其苛刻

如果能将量子计算投入实用,将会是革命性的创新。目前,谷歌、微软等科技巨头也已着手对量子计算进行研究。然而,一个量子比特的信息非常难以存储,微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。

马约拉纳费米子或许恰是令量子计算机的制造变成现实的一个关键:它没有反粒子,或者说相当于半个传统粒子,这就提供了一种绝妙的可能:一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的Majorana费米子上。如此一来,传统的噪声难以同时以同样的方式影响这两个Majorana费米子,进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统的存储方式,Majorana费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机。

马约拉纳费米子的发现不只完善了理论物理学,也促进了产业界的发展。当然,在这支发现马约拉纳费米子的队伍中,张首晟带领的理论团队功不可没。

他领导的研究团队于2006年提出的量子自旋霍尔效应被《科学》评为2007年“全球十大重要科学突破”之一,前面提到的拓扑绝缘体的发现让他荣获2015年富兰克林奖章。此外。他先后获得过古根海姆基金奖、洪堡研究奖、欧洲物理奖等诸多奖项,入选美国文理科学院院士、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士等多个计划。

诺贝尔物理学奖获得者Frank Wilczek对马约拉纳费米子的发现如此评价: 张首晟与团队设计了全新的体系, 并在实验中清晰地测量到马约拉那费米子,这是一项里程碑的工作。

不过,目前他还未能获得声名在外的诺贝尔奖。

多年陪跑,诺奖终将收纳囊中?

其实,早在很久之前,张首晟的导师杨振宁就评价他“获得诺贝尔奖只是时间问题”。

2014年,入选汤森路透引文桂冠奖(汤森路透美国总部发布的“诺贝尔奖得主预测”名单),只可惜被日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二发明的蓝光LED打败,接下来连续两年陪跑。

细数诺奖多年的历史,威廉·伦琴发现X射线,詹姆斯·查德威克发现中子,丁肇中发现J粒子,卡尔·安德森发现正电子,马丁·佩尔发现τ子,弗雷德里克·莱因斯发现中微子。不知张首晟能否在未来被这样记住:因对马约拉那(Majorana)费米子的发现做出的杰出贡献,成为2017诺贝尔物理奖获得者。

总结:

1957年,杨振宁与李政道因为共同提出宇称不守恒定律,成为最早的华人诺贝尔物理学奖得主。

在60年后的今天,作为杨振宁的学生,如果华人科学家张首晟也获得诺贝尔物理学奖,那将是诺奖历史上的一件盛事,也将是中国的一件盛事。

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