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张首晟团队发明号称“天使粒子”的马约拉纳费米子

作者:admin 发布时间:2017-07-29

他弥补说:“更令人感兴致的是,物理学中的类比曾经证明是异常壮大的证据,即便它们长短常不同的东西、无比不同的进程,兴许我们可以用其中一个来懂得另一个,我们可能会发现一些我们也感到风趣的东西。”

作为着名理论物理学家、这篇研究论文的高等作者之一,张首晟表示:“我们的团队正确地预测了找到马约拉纳费米子的处所,以及寻觅哪些货色作为这种粒子存在的确实证据。这一发现终结了基本物理学范畴最片面的科学探寻之一,而这种探寻逾越了80年。”

发现确凿证据

1928年,英国理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)做出了一项惊人预测,即宇宙中每个基本的粒子必定有绝对应的反粒子。当粒子和反粒子相撞时,它们会彼此湮灭,进而开释出能量。果不其然,几年后科学家发现了第一个反物质粒子(即电子的反粒子正电子),反物质很快就成了风行文明的一局部。

最下面的薄膜是超导体,底部则是一种拓扑绝缘体,它仅沿着表面或边缘传导电流,而不是经过旁边。将它们放在一同,就构成了一种超导拓扑绝缘体,电子沿着没有阻力的材料名义的两个边沿运动,就比如高速公路上的汽车。

但在1937年,另一位有名物理学家埃托雷·,八达国际;马约拉纳(Ettore Majorana)提出了一个新的实践:他猜测在一个名为费米子(包括质子、中子、电子、中微子跟夸克)的粒子种别中,应当存在一类本身不反粒子的粒子。

根据爱因斯坦着名的E = mc2方程式,产生这些准粒子的过程相似于能量在真空中变成短命“虚构”粒子并再次变回能量的方式。固然准粒子不像做作界中发现的粒子,但它们依然被以为是真正的马约拉纳费米子。

麻省理工学院理论物理学家、诺贝尔奖得主弗兰克·,八达国际;威尔茨克(Frank Wilczek)表示:“这仿佛是对全新事物的清晰视察”,他没有参加这项研究。“这一点儿都不奇异,由于物理学家曾经思考很长一段时间了,即马约拉纳费米子可能存在于这项实验应用的材料中。但是,他们把以前从未被放在一同的多少个元素联合了起来,以这种清楚且牢靠的方式来观察这种新型量子粒子,称得上是真正的里程碑。”

转变世界基础物理

格雷塔说:“他们察看到的准粒子根本上是在一种表示为马约拉纳粒子的资料中的激起。然而它们不是基础粒子,而是以天然的方法在一个专门筹备的材料中制作出来的。这种情形不可能产生在宇宙中。另一方面,中微子无处不在,假如它们被发现是马约拉纳粒子,咱们将会用举动证实,大天然不只使得这种粒子成为可能,而且曾经用它们填满了宇宙。”

张首晟团队提出的搜查手性马约拉纳费米子的实验平台

一个包含斯坦福大学科学家在内的研讨小组现在表现,他们曾经发现了马约拉纳费米子存在确实凿证据。斯坦福大学与加州大学联手在试验室对独特的物资停止了一系列实验,终极取得了这一发现。

这一研究小组由加州大学欧文分校副教授夏晶和加州大学洛杉矶分校教授王康隆引导,他们依据斯坦福大学物理学教授张首晟及其共事提议的规划实施了这项研究,八达国际。该小组在7月20日出版的《科学》杂志上宣布了他们的研究结果。

大概10年前,科学家认识到在探索材料物理学的一些实验中,也可能会产生马约拉纳费米子,于是一场寻觅马约拉纳费米子的比赛开端了。他们始终在寻觅的是“准粒子”——由超导材料中电子的群体行动产生的粒子式激起,其以100%的效力传导电力。

在加州大学洛杉矶分校和加州大学欧文分校的最新实验中,研究小组将两个量子材料(超导体和磁拓扑绝缘体)的薄膜重叠在一同,并将电流畅过它们全体导入冷藏真空室。

在这种轮回的某些阶段,马约拉纳准粒子涌现了——成对呈现在超导层之外,像电子一样沿着拓扑绝缘体的边缘流传。每对准粒子中都有一个成员偏离轨道,使得研究人员可以轻松丈量单个准粒子的活动。像电子一样,它们的速度忽然减慢,停滞并改变了方向。这些偏偏是研究人员一直在寻觅的确凿证据。

张首晟临时参考2000年滞销书《天使与魔鬼》(Angels and Demons)的内容,将其团队发现的手性马约拉纳费米子命名为“天使粒子”(angel particle)。在这部滞销书中,一个机密组织打算用定时炸弹炸毁梵蒂冈,而这颗炸弹的威力来自于物质与反物质湮灭发生的反映。张首晟指出,与书中情节不同的是,在马约拉纳费米子的“量子世界”中,只要天使,没有魔鬼。(编译/清辰)

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张首晟,未来马约拉纳费米子可以用来构建功效强盛的量子计算机,而这些量子计算机没有被环境噪声所吞没。因为每个马约拉纳费米子基本上只相称于亚原子粒子的一半,所以一个量子位的信息量能够存储在两个独破的马约拉纳费米子中,进而增加了一些可能捣乱它们的机遇,同时也使得它们丧失了自身所携带的信息。

马约拉纳的预测仅实用于不含电荷的费米子,如中子和中微子。科学家曾经发现了中子的反粒子,但他们有充足的理由信任中微子可能就是本人的反粒子,目前还有四个实验正在停止中,包括在美国新墨西哥州稀释氙观测站(Enriched Xenon Observatory)实行的EXO-200名目。但是,这些实验的难度十分大,估量十年内都不会有谜底。

凤凰科技讯 北京时光7月21日新闻,美国斯坦福大学物理学教学张首晟及其团队明天清晨在《迷信》杂志上宣布了一项严重发明:在历经80年的摸索之后,他们终于发现了“马约拉纳费米子”(Majorana fermion)的存在。

在从前五年里,科学家经过这种方式获得了一些胜利,并且讲演说他们在波及超导纳米线的实验中看到了马约拉纳费米子签名。但张首晟表示,在这些情况下,准粒子受到“约束”——被固定在一个特定的地方,而不是在空间和时间上传布,因而很难断定其余作用产生的影响是不是研究人员看到的信号。

张首晟研究团队观察到一种被称为“手性”费米子的特别马约拉纳费米子,因为它仅沿着一个方向的一维通路挪动。研究人员表示,尽管产生“手性”马约拉纳费米子的实验非常难以设计和实施,但它们产生的信号是精确无误的。

张首晟

斯坦福大学物理学传授希奥尔希奥·格雷塔(Giorgio Gratta)曾在设计和计划EXO-200方面施展了主要作用,他表示这些实验成果不太可能对断定中微子能否是其自身反粒子的尽力产生影响。

“天使粒子”

寻觅“准粒子”

张首晟的主意是经过增加大批磁性材料来调剂拓扑绝缘体。这使得电子沿着表面的一个边缘单向活动,然后再沿着相反的边缘反向活动。而后,研究人员在堆叠的薄膜上扫过一块磁铁。这使得电子的活动变慢,结束并改变方向。这些变更并不稳固,但发生在峻峭的台阶上,就像是楼梯上的雷同台阶一样。

张首晟团队发现号称“天使粒子”的马约拉纳费米子

张首晟还表示,对马约拉纳费米子的寻觅更多是出于常识层面的斟酌,但这种探索对开发机能可靠的量子盘算机存在事实意思,只管这种将来间隔我们还非常悠远。

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斯坦福线性减速器核心(SLAC)上司国家减速器实验室材料与动力科学研究所(SIMES)主任汤姆·德沃勒乌克斯(Tom Devereaux)表示:“这项研究标记着对手性马约拉纳费米子的多年探寻到达了热潮。”张首晟是SLAC国度减速器实验室的首席研究职员。

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