物理学重大突破：科学家找到“天使粒子”

物理学迎来了一个重大突破:由四名中国科学家领导的科学研究小组终于找到了同伦“天使粒子”——玛雅·费米子，从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的探索。

相关论文发表在今天的《科学》杂志上。该成果由加州大学洛杉矶分校王康龙课题组、斯坦福大学张首晟教授课题组和上海科技大学寇绪峰课题组共同完成。为什么交流作者林青、寇绪峰、张首晟和王康龙都是中国科学家？

张首晟接受人民记者

诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔泽克对这项工作发表了评论，他说:张首晟和他的团队设计了一个全新的系统，并在实验中清晰地测量了梅恩纳费米恩。这真是一项里程碑式的工作。

国际上的同事指出，在发现了“上帝”粒子(希格斯玻色子)、中微子和引力子之后，梅恩纳费米恩的发现是又一个里程碑式的发现。它不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值:使量子计算成为现实。

"神秘的正负粒子让我们等待了80年."

在物理学领域，物质的最小和最基本的单位叫做“基本粒子”。它们是不改变性质的最小体积的物质，也是形成各种物体的基础。基本粒子分为两种类型:费米子和玻色子，分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色命名。

东西方的哲学家都认为，人类似乎生活在一个充满正反两面的世界:正数必须有负数，存款必须有债务，阴必须有阳，善必须有恶，天使必须有恶。1928年，伟大的理论物理学家狄拉克做出了一个惊人的预测:宇宙中的每个基本费米粒子都必须有相应的反粒子。根据爱因斯坦的质量能量公式E = mc2，当一个费米子遇到它的反粒子时，它们互相湮灭，从而使两个粒子的质量消失并转化为能量。

从那时起，宇宙中的每个粒子都有其反粒子，这被认为是一个绝对真理。然而，会有一种没有反粒子的粒子，还是有反粒子和反粒子的粒子？1937年，意大利理论物理学家埃托雷？埃托雷·马约拉纳在他的论文中推测，有这样一种神奇的粒子，我们今天称之为“玛雅纳米粒子”。不幸的是，在做了这个猜测后，他在一次乘船旅行中神秘失踪了。从那以后，寻找这种神奇的粒子成了物理学家的梦想。

意大利理论物理学家埃托雷·马约拉

科学家们认为，在粒子物理学中，标准模型范围之外的中微子可能是中子。为了验证这个猜想，需要一个没有中微子的β双衰变实验。不幸的是，这个实验要求的精度在未来10到20年内将很难达到。

张首晟将突破转向凝聚态物理。从2010年到2015年，张首晟团队连续发表了三篇论文，准确预测了实现Mayonnafermion的系统以及验证该系统的实验方案。根据张首晟的理论，王康龙和其他实验小组已经成功地发现了手征的Mayonnafermions，结束了80年的科学探索。

张首晟把新发现的手性蛋黄酱费米子命名为“天使粒子”，这个名字来自丹？布朗的小说和他的电影《天使与魔鬼》。“这部作品描绘了正负粒子湮灭和爆炸的场景。过去，我们相信每个粒子都有它的反粒子，就像每个天使都有它的魔鬼一样。但是今天，我们发现了一个完美的世界，没有反粒子，只有天使，没有恶魔。”张首晟说。

电影《天使与魔鬼》海报

"今天的结果是基于量子反常霍尔效应的发现."

困扰物理学界80年的问题是如何解决的？张首晟认为，任何科学研究工作都是基于已经取得的成就。天使粒子的发现得益于先前对量子反常霍尔效应的探索，也是理论和实验相结合的结果。

起初，张首晟根据常识做出了一个推论:因为梅昂纳费明只有粒子，没有反粒子，所以它相当于传统粒子的一半。他很快意识到“一半”的概念是解决问题的关键。

早在2008年，张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应。这一预测在2013年得到了清华大学物理系和中国科学院物理研究所联合组成的实验小组的证实。在实验中，随着外部磁场的调整，反常量子霍尔效应薄膜呈现出一个量子平台，相当于基本电阻单位E2/h的1，0，-1倍。换句话说，量子世界中的电阻是量子化的，它只能跳整数倍的步长。

这给了张首晟一个灵感:Mayonnafermion是普通粒子的一半。因为普通粒子跳跃一个整数，所以梅农纳费明子可以跳跃半个整数——它必须呈现一个特殊的“1/2步”。因此，他预言手征的梅农纳费米子存在于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。当一个普通的超导体被放置在一个异常的量子霍尔效应薄膜上时，邻近效应使它能够实现手征的梅农纳费曼效应，在相应的实验中将增加一个相当于基本电阻单位E2/h 1/2倍的全新量子平台。

张首晟的团队提出了一个实验平台，用于搜索Mayonnafermions: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装置。

在随后的实验验证中，令人兴奋的结果出现了:王康龙和其他实验小组确实看到了“1/2步”。半基本电阻来自于作为半传统粒子的Mayonnafermion的特殊性质。因此，额外的半整数量子平台为手性Mayonnafermion的存在提供了强有力的证据。

何庆林、王康龙、夏静实验团队与张首晟理论团队合作测量的半量子电导平台与理论预测一致，为Mayonnafermion的发现提供了直接而有力的实验证据。

"天使粒子带来的量子计算时代让我充满了兴奋和期待."

发现天使粒子的实际意义是什么？张首晟指出，从基础科学发现到技术应用通常需要许多年，但是天使粒子的发现意味着量子计算已经成为可能。

他解释说，量子世界本质上是平行的，一个量子粒子可以同时通过两个狭缝。因此，量子计算机可以执行高度并行计算，这比经典计算机要有效得多。以算术问题为例，如果你给出一个大的数，并问它是否能被分解成两个数的乘积，那么经典计算机只能用穷举法来尝试一个一个的整除计算，而量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的计算。

一个量子粒子可以同时穿过两个狭缝。

然而，量子位的信息很难存储，微弱的环境噪声会破坏其量子特性。因此，量子计算机经常被认为是一厢情愿的想法。

“在正常情况下，量子位只能储存在传统粒子中，很容易受到干扰。但是现在，天使粒子的发现提供了一种奇妙的可能性:一个量子位可以被分成两半，并储存在两个非常遥远的可能纳米粒子上。张首晟说，其结果是，传统的噪音很难同时以同样的方式影响两个Mayonnafermions，从而破坏存储的量子信息。"与传统的存储方法相比，基于天使粒子的存储方法非常稳定."

“我们提出的装置也是一个二维系统，因此允许梅农纳费蒙的纠缠和编织，使得有效的量子计算成为可能，从而解决了人类面临的一些难题。”张首晟说，“我对天使粒子游行的量子天堂充满了兴奋和期待。”