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“天使粒子”是不是真实的粒子

  【科普小博士】

  作者:李剑龙

  日前,有媒体报道美籍华裔物理学家张首晟在京宣布,他和何庆林、王康隆等共同发现“天使粒子”——马约拉纳费米子。但旋即有多位物理学家指出:此粒子非彼粒子,这次发现的并不是一种基本粒子,而是通过设定各种外部条件让电子按照某一特殊的方式运动,使其看起来像一种新的粒子。

   自然界的物质都是由基本粒子组成的,但是基本粒子太多了。为了区分清楚,物理学家根据粒子的不同性格,将其分成两大类:可以相互挤在一起也不抱怨的,叫作玻色子,比如光子;不喜欢扎堆、爱各走各路的,叫作费米子,比如电子。

“天使粒子”是不是真实的粒子

本文及漫画由科学漫画sheldon42提供

   “天使粒子”与费米子有关。每一种费米子都有反粒子,比如电子的反粒子就是正电子。除了质量之外,反粒子的许多性质都跟原来的粒子完全相反。比如,电子带负电,正电子就带正电。反粒子是真实存在的,也有广泛应用,如医院检测癌细胞用的PET-CT,原理就是间接探测能被癌细胞吸收的药物所发出的正电子。

   马约拉纳费米子是物理学家马约拉纳在1937年提出的:从数学上看,有一种费米子和它的反粒子完全等价——它就是自己的反粒子。顺便说,提出马约拉纳费米子不久,这位天才物理学家就在乘船时神秘地失踪了。

   此后的几十年里,粒子物理学家始终没有发现马约拉纳费米子。于是,凝聚态物理学家便扮演起寻找者的角色,但他们是通过约束各种固体物质中的电子来寻找目标——把温度降低到绝对零度附近,加上电场、磁场,改变固体的形状,向固体掺入不同杂质,将几种固体捏在一起……总之,就是使尽各种手段“折磨”电子。这些电子受到外力作用,再也不能自由奔跑,只好按照与“本性”完全不同的方式运动。比如,在BCS超导理论中,当温度低到绝对零度附近时,两个同性的电子会突然“同性相吸”,配成了一对,变成了一种“准粒子”,运动起来就没了电阻。

  “天使粒子”也是这一类情况: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。

  但它绝不是真实的粒子,而是电子的一种特殊运动模式。所以,这个发现叫作“在量子反常霍尔绝缘-超导结构中发现了一维手征马约拉纳费米子模的存在”。

  这个发现是否重要?是的。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。

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