不可思议的发现:改变世界基础物理“粒子

[ 2017-08-02 10:11 ] 浏览:

  千亿国际娱乐美国斯坦福大学物理学传授张首晟及其团队正在《科学》上颁发了一项严沉发觉:正在历经80年的摸索之后,他们终究发觉了“马约拉纳费米子”的存正在。

  1928年,英国理论物理学家保罗狄拉克做出了一项惊人预测,即中每个根基的粒子必然有相对应的反粒子。当粒子和反粒子相撞时,它们会彼此湮灭,进而出能量。果不其然,几年后科学家发觉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化的一部门。

  但正在1937年,另一位出名物理学家埃托雷马约拉纳提出了一个新的理论:他预测正在一个名为费米子(包罗质子、中子、电子、中微子和夸克)的粒子类别中,该当存正在一类本身没有反粒子的粒子。

  一个包罗斯坦福大学科学家正在内的研究小组现在暗示,他们曾经发觉了马约拉纳费米子存正在简直凿。斯坦福大学取大手正在尝试室对奇异的物质进行了一系列尝试,最终获得了这一发觉。

  这一研究小组由大学欧文分校副传授夏晶和大学分校传授王康隆带领,他们按照斯坦福大学物理学传授张首晟及其同事建议的打算实施了这项研究。该小组正在7月20日出书的《科学》上颁发了他们的研究。

  做为出名理论物理学家、这篇研究论文的高级做者之一,张首晟暗示:“我们的团队精确地预测了找到马约拉纳费米子的处所,以及寻找哪些工具做为这种粒子存正在简直凿。这一发觉终结了根本物理学范畴最全面的科学探索之一,而这种探索逾越了80年。”

  张首晟还暗示,对马约拉纳费米子的寻找更多是出于学问层面的考虑,但这种摸索对开辟机能靠得住的量子计较机具有现实意义,虽然这种将来距离我们还十分遥远。

  张首晟研究团队察看到一种被称为“手性”费米子的特殊马约拉纳费米子,由于它仅沿着一个标的目的的一维通挪动。研究人员暗示,虽然发生“手性”马约拉纳费米子的尝试很是难以设想和实施,但它们发生的信号是精确无误的。

  斯坦福线性加快器核心部属国度加快器尝试室材料取能源科学研究所从任汤姆德沃勒乌克斯暗示:“这项研究标记着敌手性马约拉纳费米子的多年探索达到了。”张首晟是SLAC国度加快器尝试室的首席研究人员。

  麻省理工学院理论物理学家、诺贝尔得从弗兰克威尔茨克暗示:“这似乎是对全新事物的清晰察看”,他没有参取这项研究。“这一点儿都不奇异,由于物理学家曾经思虑很长一段时间了,即马约拉纳费米子可能存正在于这项尝试利用的材猜中。可是,他们把以前从未被放正在一路的几个元素连系了起来,以这种清晰且靠得住的体例来察看这种新型量子粒子,称得上是实正的里程碑。”

  马约拉纳的预测仅合用于不含电荷的费米子,如中子和中微子。科学家曾经发觉了中子的反粒子,但他们有充实的来由相信中微子可能就是本人的反粒子,目前还有四个尝试正正在进行中,包罗正在美国新墨西哥州浓缩氙不雅测坐实施的EXO-200项目。可是,这些尝试的难度很是大,估量十年内都不会有谜底。

  大约10年前,科学家认识到正在摸索材料物理学的一些尝试中,也可能会发生马约拉纳费米子,于是一场寻找马约拉纳费米子的竞赛起头了。他们一曲正在寻找的是“准粒子”由超导材猜中电子的集体行为发生的粒子式激发,其以100%的效率传导电力。

  按照爱因斯坦出名的E = mc2方程式,发生这些准粒子的过程雷同于能量正在实空中变成短寿“虚拟”粒子并再次变回能量的体例。虽然准粒子不像天然界中发觉的粒子,但它们仍然被认为是实正的马约拉纳费米子。

  正在过去五年里,科学家通过这种方式取得了一些成功,而且演讲说他们正在涉及超导纳米线的尝试中看到了马约拉纳费米子签名。但张首晟暗示,正在这些环境下,准粒子遭到“”被固定正在一个特定的处所,而不是正在空间和时间上,因而很难判断其他感化发生的影响是不是研究人员看到的信号。

  正在大学分校和大学欧文分校的最新尝试中,研究小组将两个量子材料(超导体和磁拓扑绝缘体)的薄膜堆叠正在一路,并将电畅通过它们全数导入冷藏实空室。

  最的薄膜是超导体,底部则是一种拓扑绝缘体,它仅沿着概况或边缘传导电流,而不是通过两头。将它们放正在一路,就构成了一种超导拓扑绝缘体,电子沿着没有阻力的材料概况的两个边缘勾当,就比如高速公上的汽车。

  张首晟的设法是通过添加少量磁性材料来调整拓扑绝缘体。这使得电子沿着概况的一个边缘单向流动,然后再沿着相反的边缘反向流动。然后,研究人员正在堆叠的薄膜上扫过一块磁铁。这使得电子的流动变慢,遏制并改变标的目的。这些变化并不不变,但发生正在峻峭的台阶上,就像是楼梯上的不异台阶一样。

  正在这种轮回的某些阶段,马约拉纳准粒子呈现了成对呈现正在超导层之外,像电子一样沿着拓扑绝缘体的边缘。每瞄准粒子中都有一个偏离轨道,使得研究人员能够轻松丈量单个准粒子的流动。像电子一样,它们的速度俄然减慢,遏制并改变了标的目的。这些恰好是研究人员一曲正在寻找简直凿。

  斯坦福大学物理学传授希奥尔希奥格雷塔曾正在设想和规划EXO-200方面阐扬了主要感化,他暗示这些尝试成果不太可能对确定中微子能否是其本身反粒子的勤奋发生影响。

  格雷塔说:“他们察看到的准粒子根基上是正在一种表示为马约拉纳粒子的材猜中的激发。可是它们不是根基粒子,而是以人制的体例正在一个特地预备的材猜中制制出来的。这种环境不成能发生正在中。另一方面,中微子无处不正在,若是它们被发觉是马约拉纳粒子,我们将会用步履证明,大天然不只使得这种粒子成为可能,并且曾经用它们填满了。”

  他弥补说:“更令人感乐趣的是,物理学中的类比曾经证明常强大的,即便它们常分歧的工具、很是分歧的过程,也许我们能够用此中一个来理解另一个,我们可能会发觉一些我们也感觉风趣的工具。”

  张首晟,未来马约拉纳费米子能够用来构立功能强大的量子计较机,而这些量子计较机没有被噪声所覆没。因为每个马约拉纳费米子根基上只相当于亚原子粒子的一半,所以一个量子位的消息量能够存储正在两个的马约拉纳费米子中,进而削减了一些可能它们的机遇,同时也使得它们丢失了本身所照顾的消息。

  张首晟临时参考2000年畅销书《取》的内容,将其团队发觉的手性马约拉纳费米子定名为“粒子”。正在这部畅销书中,一个奥秘组织打算用按时炸毁梵蒂冈,而这颗的能力来自于物质取反物质湮灭发生的反映。张首晟指出,取书中情节分歧的是,正在马约拉纳费米子的“量子世界”中,只要,没有。

 

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