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2017年7月21日,何庆林、王康隆和张首晟等几位物理学家在《科学》杂志撰文指出,他们在量子反常霍尔绝缘-超导结构中发现了一维手征马约拉纳费米子模的存在。他们还给这个发现起了一个神神道道的名字:“天使粒子”。

上面那句话里的每个字我都认识,连起来到底是什么意思呢?

其实,他们发现的并不是一种真实存在的粒子,而是通过布置各种外部条件让电子按照某一种特殊的方式运动,让它看起来有点儿像一种新的粒子。说白了就是让狗熊承认自己是兔兔。

下面,我们来用13幅图逐一解释这个新闻的意思。

马约拉纳费米子_00

自然界的物质都是由基本粒子组成的。但是基本粒子太多了,物理学家数的眼睛都花了。

为了分清楚谁是谁,物理学家根据粒子的性格不同,将它们分成两大类。

有的粒子可以相互挤在一起也不抱怨,叫做玻色子。比如,光子就是一种玻色子。

马约拉纳费米子_01

有的粒子不喜欢扎堆,喜欢各走各的路,叫做费米子。比如,电子就是一种费米子。

马约拉纳费米子_02

每一种费米子都有它的反粒子,比如电子的反粒子就是正电子。

反粒子除了质量之外,许多性质都跟它原来的粒子完全相反。比如,电子带负电,正电子就带正电。

反粒子不是拍脑袋想出来的,而是真实存在的东西。医院里检测癌细胞用的PET-CT的原理,就是探测癌细胞吸收的药物所发出的正电子。

马约拉纳费米子_03

1937年,一位年轻的物理学家马约拉纳提出,从数学上看,有一种费米子,可以和它的反粒子完全等价。它就是它自己的反粒子。

于是,这样的费米子就叫做马约拉纳费米子。这次实验中发现的新粒子就跟它有关。

马约拉纳费米子_04

在提出马约拉纳费米子后不久,马约拉纳本人就在一艘船上神秘的失踪了。在之后的几十年里,粒子物理学家也始终没有发现这种粒子。

马约拉纳费米子_05

有个笑话说,一群怪警察去森林里抓兔子,最后有一只奄奄一息的熊跟着他们走出来,边哭边说:“不要再打了,我就是兔子。”

由于粒子物理学家一直找不到马约拉纳费米子,凝聚态物理学家变自告奋勇地扮演起怪警察的角色,而被他们折磨的奄奄一息的熊,就是各种固体物质中的电子。

马约拉纳费米子_06

在粒子物理学家眼中,电子就是电子,只会按照一种确定的方程运动,没有什么花头可以玩。

马约拉纳费米子_07

但凝聚态物理学家城会玩!他们把温度降低到绝对零度附近,加上了电场、磁场,又改变固体的形状,再向固体掺入杂质,还把几种固体捏在一起。总之,就是使尽各种手段折磨电子。

由于电子受到各式各样的外力作用,再也不能自由自在地瞎胡跑了,只好根据周围的环境,按照另一种完全不同的方式运动

马约拉纳费米子_08

比如,在BCS超导理论中,当温度低到绝对零度附近时,两个同性的电子突然抽风了。

它们“同性相吸”,配成了一对,变成了一种“准粒子”,运动起来就突然没有电阻了。你说奇怪不奇怪?

马约拉纳费米子_09

在何庆林、王康隆和张首晟等几位物理学家的实验中,他们把一种由组成的奇怪固体拍成薄片状,夹在另一种由碲锑铋铬组成的奇怪固体薄片中间(即量子反常霍尔绝缘体。当它与前面的薄片结合后,在一定条件下可变成拓扑超导体),降温到绝对零度附近,再加上电场和磁场。

结果发现,在这两个二维固体的一维边界上,电子突然开始按照一种特殊的方式转圈了。

马约拉纳费米子_10

这种特殊转圈方式背后的数学,和马约拉纳费米子的数学存在相似之处。

马约拉纳费米子_11

由于电子只能在这个边界上沿着一个方向转圈,而不是同时沿着两个方向转圈,这在物理学中叫做手征性

又因为发现的这个粒子并不是真实存在的粒子,而是电子的一种特殊运动模式,所以,这个发现才叫作“在量子反常霍尔绝缘-超导结构中发现了一维手征马约拉纳费米子模的存在。

马约拉纳费米子_12

物理学家为什么闲的没事要折磨电子呢?

因为你现在用手机、电脑做运算,本质上都是在操纵电子。

物理学家研究这种新型的操纵电子的方式,有助于将来发明一种比普通量子计算机抗干扰能力更强的拓扑量子计算机

马约拉纳费米子_13

马约拉纳费米子_14

二维码

美指:牛猫
绘制:赏鉴
排版:胡豆
鸣谢:吴飙,程蒙,文小刚

注:在本文绘制的同时,程蒙和文小刚两位物理学家对这个发现的可能应用提出了更详细的评论。

程蒙:这个发现中的一维手征马约拉纳费米子模并不能直接用于拓扑量子计算,但它意味着这个系统当中有些别的玩意可以用来做量子计算。当然还需要进一步的实验来验证是否真的可行。

文小刚:的确手征马拉约纳费米子和量子计算没有直接的关系。我在90年代的工作证明了边界上存在手征马拉约纳费米子,意味着体内存在非阿贝尔粒子。非阿贝尔粒子和量子计算有直接关系。

参考文献:
1. http://arxiv.org/abs/1609.06407
2. http://arxiv.org/abs/1206.1736
3. http://arxiv.org/abs/1606.05712
4. 祁晓亮等,《量子粒子大观:狄拉克、外尔和马约拉纳 | 众妙之门》
5. 婉珺,《“马约拉纳费米子”被发现?论文作者和凝聚态物理学家没这么说》

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One Response to “漫画 | “天使粒子”,说白了就是让狗熊承认自己是兔兔”

  1. 匿名说道:

    其实我不懂。但我要看。

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