王康隆教授谈发现“天使粒子”实验过程

何庆林(左)、王康龙(中)和潘磊(右)在加州大学洛杉矶分校的实验室里。

这幅画是由王康龙提供的。

今天的观点

《达芬奇密码》的作者丹·布朗的另一部畅销小说《天使与魔鬼》中，反物质是故事的主要载体。故事的主人公是欧洲核研究中心的一位著名科学家。他在地下实验室秘密制造的反物质已经消失，可能会因自身爆炸而摧毁整个城市。在他失踪后的24小时内，英雄和偷反物质的部队开始了一次充满智慧和勇气的冒险之旅。

21日，由中国科学家团队首次发现并公布的玛雅纳费米子，根据《天使与魔鬼》的内容，被张首晟称为“天使粒子”。他指出，在玛雅纳·费米子的“量子世界”中，只有天使，没有魔鬼。然而，洛杉矶加州大学教授王康龙在接受《科技日报》采访时相信，玛雅纳费米子在正反两方面都是相同的，就像道家阴阳八卦一样，所以称它们为“太极粒子”可能更合适。

王教授说，这一发现是该实验室在材料和物理现象基础研究领域长期坚持13年的结果。这是在准备了大量的实验材料和做了大量的初步研究后逐步实现的。"这对我们队来说是一个意外的惊喜。"

积极和消极的身份是神秘的

在标准物理的理论模型中，12个基本粒子被分成两个家族:由电子和质子等8种粒子组成的费米子家族和由光子和介子等4种粒子组成的玻色子家族。人们普遍认为每个粒子都有它的反粒子，而且状态与粒子本身相反。当粒子遇到反粒子时，它会立即湮灭。

但是在1937年，埃托雷·马略纳预言有一种特殊的费米子，像光子这样的玻色子，它的反粒子本身就是。这种费米子被称为“玛雅费米子”。奇怪的是，在马略纳做出这一重大预测后不久，他就分别给他的家人和单位发了一条短信。带着半年的预支工资和所有的科研资料，他踏上一艘船，神秘失踪了。80年来，马约拉娜·费米子和马约拉娜分别成为物理学家和科幻小说的神秘主角，但马约拉娜的结局更为炒作，如“被外星人带走”；至于蛋黄酱费米子，经过几代物理学家的努力，他头上的“面纱”已经一点一点揭开了。

80年后，他终于出现了

在过去的80年里，世界各地的物理学家从未停止寻找“天使粒子”。科学家认为中微子可能是他们的反粒子。目前，包括美国新墨西哥氙浓缩天文台进行的EXO-200在内的四个大规模实验正在寻找中微子。然而，因为中微子不带电荷且质量极小，它们在宇宙中被称为“隐形人”。这些寻找天然基本粒子的实验是非常困难的，而且据估计，在十年之内，通过这些实验将无法找到“天使粒子”的答案。

直到10年前，科学家在探索材料物理的一些实验中发现，一些材料中可能会产生“天使粒子”。结果，科学家们开始了在另一个“战场”寻找“天使粒子”的竞赛:超导材料中电子集体行为产生的粒子型激发被称为“准粒子”。尽管准粒子不像自然界中的基本粒子，但它们仍然被认为是真正的梅昂纳费米子。

在这项研究中，根据10多年在拓扑材料领域的积累，洛杉矶加利福尼亚大学的王康龙团队与许多中国科学家合作，将底部的拓扑绝缘体材料和顶部的超导体薄膜一起堆叠在真空冷藏室中，形成超导拓扑绝缘体。通过添加少量磁性材料，电子只能沿着拓扑绝缘体表面的一条边向一个方向流动。然后，他们将磁铁扫过堆叠的薄膜，不断调整电子的流动速度和方向。在某些时刻，他们观察到蛋黄酱费米子从超导层中出现，像电子一样沿着拓扑绝缘体的边缘流动，每一步的高度只有电子高度的一半。这些“半步”是研究者一直在寻找的蛋黄酱费米子存在的确凿证据。

王康龙教授说，当他们第一次做实验时，他们没有计划去发现这个特殊的粒子。2008年，他们开始研究拓扑绝缘体，最初是为了探索这种材料能否应用于低功耗电子芯片的开发。因为理论预测指出，梅农纳费明可能存在于由量子线和普通超导体薄膜组成的混合装置中，他们的研究小组开始探索神秘的梅农纳费明。

制造量子计算机的完美选择

这次发现的费米子是一个手征粒子，“手征性”可以大致理解为粒子只向一个方向运动，可以用来实现低能耗的信息传输和处理。

2016年6月，贾金峰的研究小组及其合作者在《物理评论快报》上发表了一篇论文，指出他们在由拓扑绝缘体和超导体形成的拓扑超导体界面上观察到了一种独特的自旋极化电流，这为一维马约拉纳费米子的存在提供了确凿的证据。

在这项研究中，王康龙领导的团队首次在二维空间中观察到手性蛋黄酱费米子的量子态，并且可以在不同的样品中重复观察到。由于这一发现是一种延伸到二维边界的手征模式，可用于传输，它将极大地促进凝聚态蛋黄酱费米子的研究和应用。

王康龙告诉《每日科学》说，梅农纳费明是制造量子计算机的最佳选择。与量子计算机现在面临的最大障碍——环境噪声的干扰不同，未来量子计算机的每个量子比特信息可以由两个相距很远的“天使粒子”存储，这样背景噪声就不会对它们造成损害，它们携带的信息也不会丢失。

(北京，7月23日，《科技日报》)

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