【科普小博士】

    日前，有媒體報道美籍華裔物理學(xué)家張首晟在京宣布,他和何慶林、王康隆等共同發(fā)現(xiàn)“天使粒子”——馬約拉納費米子。但旋即有多位物理學(xué)家指出：此粒子非彼粒子，這次發(fā)現(xiàn)的并不是一種基本粒子，而是通過設(shè)定各種外部條件讓電子按照某一特殊的方式運動，使其看起來像一種新的粒子。

    自然界的物質(zhì)都是由基本粒子組成的,但是基本粒子太多了。為了區(qū)分清楚，物理學(xué)家根據(jù)粒子的不同性格，將其分成兩大類：可以相互擠在一起也不抱怨的，叫作玻色子，比如光子；不喜歡扎堆、愛各走各路的，叫作費米子，比如電子。

    “天使粒子”與費米子有關(guān)。每一種費米子都有反粒子，比如電子的反粒子就是正電子。除了質(zhì)量之外，反粒子的許多性質(zhì)都跟原來的粒子完全相反。比如，電子帶負(fù)電，正電子就帶正電。反粒子是真實存在的，也有廣泛應(yīng)用，如醫(yī)院檢測癌細(xì)胞用的PET-CT，原理就是間接探測能被癌細(xì)胞吸收的藥物所發(fā)出的正電子。

    馬約拉納費米子是物理學(xué)家馬約拉納在1937年提出的：從數(shù)學(xué)上看，有一種費米子和它的反粒子完全等價——它就是自己的反粒子。順便說，提出馬約拉納費米子不久，這位天才物理學(xué)家就在乘船時神秘地失蹤了。

    此后的幾十年里，粒子物理學(xué)家始終沒有發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子。于是，凝聚態(tài)物理學(xué)家便扮演起尋找者的角色，但他們是通過約束各種固體物質(zhì)中的電子來尋找目標(biāo)——把溫度降低到絕對零度附近，加上電場、磁場，改變固體的形狀，向固體摻入不同雜質(zhì)，將幾種固體捏在一起……總之，就是使盡各種手段“折磨”電子。這些電子受到外力作用，再也不能自由奔跑，只好按照與“本性”完全不同的方式運動。比如，在BCS超導(dǎo)理論中，當(dāng)溫度低到絕對零度附近時，兩個同性的電子會突然“同性相吸”，配成了一對，變成了一種“準(zhǔn)粒子”，運動起來就沒了電阻。

    “天使粒子”也是這一類情況：實驗中，幾位物理學(xué)家把一種由金和鈮組成的固體作成薄片，夾在另一種由碲銻鉍鉻組成的固體薄片中間（即量子反?；魻柦^緣體，當(dāng)它與前面的薄片結(jié)合后，在一定條件下可變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體），然后降溫到絕對零度附近，再加上電場和磁場。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這兩個二維固體的一維邊界上，電子突然開始按照一種特殊的方式轉(zhuǎn)圈了。其背后的數(shù)學(xué)，和馬約拉納費米子的數(shù)學(xué)存在相似之處。

    但它絕不是真實的粒子，而是電子的一種特殊運動模式。所以，這個發(fā)現(xiàn)叫作“在量子反常霍爾絕緣-超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一維手征馬約拉納費米子模的存在”。

    這個發(fā)現(xiàn)是否重要？是的。手機、電腦等的使用本質(zhì)上都是在操縱電子。而這種新型的操縱電子的方式，將有助于發(fā)明一種比普通量子計算機抗干擾能力更強的拓?fù)淞孔佑嬎銠C。

    （作者：李劍龍）