马约拉纳费米子的侦测:解开了纠缠物理学80年的谜团——《物理双月刊》

  • 作者/甘鲁生教授

2017 年7 月在物理的研究与发现上有了重大的进展: 由台裔教授王康隆博士领军的UCLA 研究团队,侦测到了马约拉纳费米子(Majorana Fermion)。解答了物理80 年来的一个悬念,证实了一个匪夷所思的观念,给将来可能的应用带来了无穷的遐思和希望。王康隆教授表示:

「最重要的就是推进量子电脑的发展,现在有的电脑是线性、序列性的计算,但量子电脑是可以同步执行,因此又称为『纠缠式的演算法』,所以计算速度会更快! 」[注一]

那是一个什么观念呢?我们必须把时空拉回89 年前起。1928 年英国理论物理学家保罗.狄拉克(Paul Dirac)(1933 年诺贝尔物理奖得主)利用Dirac formula 成功解释了费米子的性质,并预测有反物质的存在。在宇宙之中物质—反物质会一对对存在且物质和反物质的特性是一模一样唯一的差别只有电荷是相反的。比如说:电子是物质,带有一个负电荷;那么它的反物质就带一个正电荷。果不其然卡尔.戴维.安德森(Carl David Anderson) 在1932 年发现了正子,之后很多夸克的反物质陆续也被发现。这一观念很快被人们所接受并牢牢记住:正和反物质必须由二个粒子才算完整。

英国理论物理学家埃托雷.马约拉纳(1933年诺贝尔物理奖得主)利用Dirac formula成功解释了费米子的性质。图/Pinterest

埃托雷.马约拉纳(Ettore Majorana )是一位义大利的理论物理学家,他在1937年预测了有一种费米粒子是正反粒子的合体,它不含电荷,被称为「马约拉纳费米子」。截至上个月为止,马约拉纳费米子(即正反物质在同一粒子上),这想法仍未获得实验上的验证。然而在2017年7月20日美国科学(Science)刊登了王康隆教授及其研究团队研究成果,解决了马约拉纳费米子在基础物理学延续80年来一大问题并提出了在应用上的价值。

王康隆(中)带领两位学生与研究团队负责大部分的论文撰写、修改工作。左、右学生为何庆林、潘磊。(注一)

近来,许多报导沸沸扬扬的讨论著这项物理学上的突破及成就能不能得诺贝尔物理奖?王康隆教授说:「从来没想过!我是做科学研究的人,而做科学的人不会想这个问题,想的只有好好把实验做好。我认为诺贝尔物理奖是一个机遇,每天想拿奖不好,就不是一个做学问的态度了!就不是为了做物理,而是为了得奖去做!」[注二]

王康隆教授上面的一席话,表现出学者该有的高度与看法:「不为奖而奖,但能得奖也不必太谦虚!」回过头来看看与基本粒子有关的诺贝尔物理奖历史,

  • 发现电子的约瑟夫.汤姆森(Joseph John Thomsom)得到了1906年诺贝尔物理奖。
  • 发现上述正子的卡尔.戴维.安德森( Carl David Anderson) 得到了1936 年诺贝尔物理奖。
  • 预言有介子存在的汤川秀树得到1949 年诺贝尔物理奖。
  • 发现J 粒子的丁肇中得到1976 年诺贝尔物理奖。
  • 这世纪以来还有预言三大类夸克(three families of quarks)的小林诚和益川敏英得到了2008 年诺贝尔物理奖。
  • 2015 年瑞典皇家将诺贝尔物理奖证明微中子(Neutrino)有质量(因为它能震荡)的梶田隆章。

以上林林总总的获奖纪录可见基本粒子的预测和证实简直就是诺贝尔物理奖的加工厂嘛!那么预言有马约拉纳费米子的埃托雷.马约拉纳(Ettore Majorana)有没有得奖?答案是:没有!

物理天才埃托雷.马约拉纳(Ettore Majorana)预言有马约拉纳费米子的存在!然而他在1938年3月在一次乘船旅行途中神秘失踪了!虽有各种猜想他到那去了,但至今无解。图/kknews

埃托雷.马约拉纳(Ettore Majorana)这位被恩里科.费米(Enrico Fermi )赞许和伽利略和牛顿同级的天才人物竟然没得诺贝尔奖?这必须要话说从头,首先埃托雷.马约拉纳(Ettore Majorana)在1937年出版的论文[1],是以义大利文写的研究论文。语言的问题,对于论文的传播有很大的影响;另外一个意想不到的事,他在1938年3月在一次乘船旅行途中神秘失踪了!虽有各种猜想他到那去了,但至今无解。当时他才32岁(1906-1938)。尽管他生命短促,但仍有得诺贝尔的机会。

1932 年伊雷娜.约里奥.居礼(Irène Joliot-Curie)和弗雷德里克.约里奥.居礼(Frédéric Joliot)发现一未知的粒子存在,但他们解释为伽玛射线。因为在高能物理中质和能可以互相转换;但马约拉纳认为​​是一中性而且质量和质子相近的粒子才能解释Irène Joliot-Curie 和Frédéric Joliot 的结果。这粒子就是后来被称为中子的粒子。当时,费米要马约拉纳赶快将他的解释写成论文,但马约拉纳却不想这么做。反倒被詹姆斯.查兑克(James Chadwick)接手并证实为真,因此詹姆斯.查兑克得到了1935年诺贝尔物理奖。所以说人的命运是性格的产物!

理论学家利用丰富的知识和严谨的逻辑做出惊世的推论固然是一件了不得的成就,但真实与否须实验的验证!王康隆教授的实验设计是将一片超导体和一片磁性拓朴绝缘体(magnetic topological insulator)结合在一起;并在在二片之间加入磁性物质,并放入可变动的磁场中,变动的磁场使得电子在超导二侧呈相反方向运动,电子流动速度变慢或停止,也可改变方向。

透过可变动磁场的扫描,王康隆教授的团队观察到马约拉纳费米子特殊的量子讯号出现,证实了马约拉纳费米子的存在。看来非常简单的实验,但做起来非常艰幸。最困难的部分就是生长单晶层材料和在低温高磁场下测量数据。再听听王康隆教授怎么说:「这次发现马约拉纳费米子的过程中最困难的就是单晶层的生长!我们用了十几年的时间从​​事于分子束磊晶的工作(molecular beam epitaxy),把这个材料优化到现在的程度才有办法做这个实验。其他还有困难的地方就是得到这材料测试之后如何分析?材料上分析也是很重要的过程,我们花了很多时间才把结果分析出来。」[注三]

马约拉纳费米子。图/KeywordSuggest.org

十多年呕心沥血的研究,现终有所成。王康隆教授获奖机会非常大,因为和马约拉纳费米子发现最相似的是希格斯粒子(也叫神或上帝粒子)的发现。希格斯粒子是延宕了49 年后才被弗朗索瓦.恩格勒(Francois Englert)和彼得.希格斯(Peter W. Higgs)在2012 年发现,次年就得到了诺贝尔物理奖!

参考资料

  • E. Majorana, Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone. Nuovo Cim. 14, 171–184 (1937)
  • 注一:王康隆:「论文定案,我和学生花了近一年」
  • 注二:参与学者王康隆:亦阳亦阴叫「太极粒子」更贴切
  • 注三:私人通讯

 

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