今天大家的朋友圈肯定被"张守晟团队发现天使粒子"这一新闻刷屏了。老婆听到这个新闻后,对这个名字有点绕口的粒子(马约拉纳费米子)十分好奇,应老婆的要求,写一篇科普短文。
先做个名字解释,马约拉纳是一位不太有名的物理学家的名字,他预言了一种特殊粒子的存在,这种粒子也就是所谓的"马约拉纳费米子"。那什么是费米子呢?费米子是对所有遵循费米-狄拉克统计粒子的统称,这种粒子具有这样一种性质,不同的费米子不能占据同一个状态。形象点说,费米子是个耿直boy, 遵循一个萝卜一个坑的规则,从不占别人的坑。与之性质相对的是另一种粒子,称为玻色子,不同玻色子可以占据同一个状态。玻色子喜欢抱团,光子就是玻色子。这两种粒子的示意图如下,
说完费米子,我们再来看看什么是Majorana费米子。故事得从量子力学诞生之初说起,当年大牛狄拉克在求解狄拉克方程(大牛自己提出的方程,在量子力学里引入相对论)时,为了处理负能解的问题,提出了狄拉克海的概念,并由此预言了"正电子"的存在,正电子就是电子的反粒子。狄拉克还预言所有粒子都存在自己的反粒子。大牛的预言后来都被实验一一证实了。正电子的发现获得了1936年的诺贝尔物理学奖。
前文提到的意大利物理学家Majorana, 在1937年十分大胆地提出会不会存在这么一种粒子,它的反粒子就是它本身。听起来貌似也没啥问题,但请你告诉这个粒子在哪呢?物理学家为了寻找这一粒子,已经花了80年的时间。人们在自然界寻找,至今没有找到对应的粒子。一部分科学家在凝聚态体系里, 试图找到满足这一性质的"准粒子"。准粒子并不是真实存在的,而是在满足特定的相互作用下,系统整体表现出一种粒子的性质,因此将其等效为一种粒子,称为准粒子。半导体物理中经常提到的“空穴”, 就是一种准粒子。
张守晟团队所做的工作就是在凝聚态体系里,找到了具有Majorana费米子性质的准粒子。他们在半导体-超导体构成的纳米线边界,观察到了满足条件的Majorana模式,示意图如下,图中虚线即为边界态的示意,
说了这么多,问题来了,除了基础物理意义之外,这种粒子还有什么用呢?这种粒子态是受拓扑保护的边界态,它不会受杂质或者外界环境的影响,性质非常稳定。人们提出利用这一粒子作为量子比特在实现量子计算。而其他体系实现的量子比特, 退相干时间都十分短,需要在退相干时间内完成相应的量子操作。量子比特很容易受环境干扰,这也制约了量子计算机的发展。值得一提的是,微软的研究小组正是致力于基于拓扑的量子计算,虽然还是理论层面。虽然马约拉纳费米子被发现了,但是真正利用它去实现量子计算,还有很长很长的路要走。
总结一下,马约拉纳费米子是一种特殊的费米子,它的反粒子是它本身。科学家们在一种特殊的材料内,发现了Majorana费米子准粒子的存在。