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世界物理学界80年前预言终成现实 ?昔日复旦神童找到“粒子

时间:2017-09-18 18:33  来源:未知  作者:admin

  图说:2016年12月17日,张首晟教授在第二届“复旦科技创新论坛”上作报告。来源:复旦大学

  复旦大学传出消息,该校校友张首晟团队的一项重大昨天在美国《科学》上发表:在整个物理学界历经80年的探索之后,他们终于发现了手性马约拉纳费米子的存在。这一发现验证了由意大利理论物理学家埃托雷马约拉纳在80年前提出的预测——存在一类没有反粒子的粒子,同时也证明了存在一种比量子还小的单位。

  1928年,英国理论物理学家保罗狄拉克提出了著名的狄拉克方程式,这一发现从上预言了正电子的存在,狄拉克提出:中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。1932年,美国物理学家安德森在研究射线时,无意间发现了狄拉克预言的正电子。从此以后,中有粒子必有其反粒子被认为是不变的真理。目前,正电子已被广泛应用到人类生活中,医学影像技术PET(正电子发射断层扫描) 就是其中之一。张首晟说:“根据以往的认知,我们似乎生活在一个充满正反对立的世界。比如有正数必有负数,有阴必有阳,有必有。”但在80年前,埃托雷马约拉纳做出了一个大胆猜测:会不会有一类没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子。这个粒子被后来的物理学界称之为马约拉纳费米子,并和希格斯波色子、引力子、磁单极、暗物质等,一起被视为人类最为梦寐以求的神秘粒子。从那时起,寻找这一神奇粒子也就成了世界上不少物理学家孜孜以求的崇高。

  近年来,张首晟与其团队连续发表了三篇论文,精准预言了在哪里能够找到马约拉纳费米子,继而指出哪些实验信号能够作为如山的。他将这一新发现称为“粒子”。对基础物理界来说,这或将一个新的时代。他们预言,手性马约拉纳费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时,临近效应使之能够实现手性马约拉纳费米子。

  量子世界本质上是并行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算,远比经典计算机有效。然而,一个量子比特的信息非常难以存储,微弱的噪声都能够其量子特性。但马约拉纳费米子没有反粒子,或者说相当于半个传统粒子,便提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。也就是说,马约拉纳费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机,使得有效的量子计算成为可能。

  张首晟1963年生于上海,1978年他初中还没毕业就赶上恢复高考。当年,父亲送给他一套数理化自学丛书,读了一个暑假就考上了,从而赢得了“天才神童”称号。16岁时,他被选中派去大学公费留学。以后,他又到美国转投杨振宁门下攻读物理学博士,32岁时被聘为斯坦福大学正教授,成为该校最年轻的终身教授之一。2013年张首晟入选中国科学院外籍院士,2015年入选美国科学院院士。

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