|
聽說過“上帝粒子”，那你聽說過“幽靈粒子”嗎？中國科學家今日公布的成果顯示，他們成功捕捉到一種困擾物理學家近一個世紀的“幽靈粒子”——外爾費米子（Weyl費米子）。至于有什么用？這項成果可以解決手機待機時間短的問題，比如，可以實現手機電池一年充一次電。 科學家把基本粒子分為玻色子和費米子兩大類，費米子是組成物質的基本粒子。外爾費米子被稱為預言中的奇特粒子，是當今凝聚態物理最前沿的研究對象之一。如今，被中國學家證實了。 7月20日，中國科學院物理研究所發布消息：他們發現了具有“手性”的電子態——外爾費米子。這是國際上物理學研究的一項重要科學突破，對“拓撲電子學”和“量子計算機”等顛覆性技術的突破具有非常重要的意義。物理所表示，中國科學家的這一發現，從材料理論預言到實驗觀測都是獨立完成。 
1929年，德國數學家、物理學家赫爾曼·外爾（H. Weyl）最先提出了這種無質量（即線性色散）的粒子——外爾費米子——無質量電子可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”。但是86年來實驗從未觀測到。 為了能夠找到它，全世界的科學家爭相創造可能存在外爾費米子的人工環境。 中科院物理所戴希研究員在博客上表示，他的同事翁紅明等人年初找到了鉭砷晶體（TaAs）等四種非磁性的外爾半金屬材料，是取得進展的關鍵。翁紅明在接受采訪時說：“你可以將外爾費米子想象成一個極小的、只有一個磁極的磁棒�！� 翁紅明說，在自然界中，無論你將磁鐵切割成多小，它始終都帶有南北兩個磁極，磁場在磁極之間流動。作為僅有一個磁極且沒有質量的粒子，外爾費米子能夠完成諸多當前科技不可企及的任務。 翁紅明告訴科技日報記者：“TaAs材料在1960年代就有研究文章，但沒有人意識到上面有外爾費米子。我們這一發現的難度在于，從那么多材料中找到合適的，猶如大海撈針，必須對外爾費米子和材料物理性質都有相當認識才行�！� 2012年和2013年，中科院物理所的理論研究團隊首次預言在狄拉克半金屬中可實現無“質量”的電子。 翁紅明的發現2014年12月31日提交電子預印本（Arxiv）網站后，這一結果立刻引起了實驗物理學家的重視，國際上許多研究組開始了競賽般的實驗驗證工作。中科院物理所，北京大學，美國普林斯頓大學等團隊都試圖在TaAs中找到外爾費米子。
德國數學家、物理學家赫爾曼·外爾 這是一場激烈競爭。普林斯頓大學團隊和中科院物理所團隊幾乎同時宣布成功。中科院物理所的最新成果將發表在最近一期《自然·物理》雜志上。 英國皇家化學協會網站7月16日報道說：“有兩個國際研究組聲稱發現了電子學的基本建筑單元——外爾費米子。” 中科院物理所的陳根富小組首先制備出了具有原子級平整表面的大塊TaAs晶體，而外爾費米子就藏身于這種晶體中。隨后物理所丁洪小組利用上海光源“夢之線”的同步輻射光束照射TaAs晶體，使得外爾費米子80多年后第一次展現在科學家面前。 外爾費米子的發現將極大地推進未來技術的發展，據介紹，具有“手性”的外爾費米子的半金屬能實現低能耗的電子傳輸，有望解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題。同時外爾費米子也受到對稱性的保護，可以用來實現高容錯的拓撲量子計算，制造比現在的超級計算機運行速度更快的量子計算機。 當前的電子設備充電套路是電子流通過電線和電路進入設備。這些粒子不僅笨重、不易控制，還會導致能量流失。如果我們用外爾費米子將之置換掉，一個費米子裝置就能夠保證電流幾乎不流失，并且能保證在幾乎不損耗能源的情況下完成高功率計算。 含有外爾費米子的材料能夠充當超導體，因而也可應用到量子物理學領域。這種材料能夠保持長時間的量子態，而不受或很少受到外部世界的影響，這使它成為打造一臺實用、高容錯量子計算機的熱門材料。 制造這樣一臺設備所面臨的最大挑戰就是過去曾被用來進行量子計算的光子等粒子的量子態所具有的脆弱性。電磁干擾或物理干擾可以輕松地導致粒子失去或改變量子態，并打亂它們本應進行的計算。 翁紅明說：“不幸的是，外爾費米子這樣精美的粒子并不存在于我們的三維世界里。只能在另一個與我們這個世界‘相反’的世界里尋到它的芳蹤。” “不是通過大型粒子加速器，而是簡單地在晶體里發現了新的粒子現象。這或許對其他實驗有啟發：凝聚態物理里，通過一些低能激發，可能產生高能物理范圍的粒子行為。”翁紅明說，下一步他們將試著尋找“拓撲超導”等新物理現象。 |
