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发现天使粒子,科大少年班校友功不可没

时间:2017-11-22

7月21日《科学》杂志报导:张首晟等多个华裔科学家团队共同发现正反同体的“天使粒子”——马约拉那(Majorana)费米子,结束了国际物理学界长达80年的漫长探索。该成果引起了轰动与争论。该突破与相关研究中,中国科大少年班校友夏晶与傅亮做出重要贡献。中文媒体普遍忽视这点,英文权威媒体大多强调夏晶等的贡献。

诺贝尔奖够格否众说纷纭!夏晶是重要贡献者无争议

该成果被某些媒体与诺贝尔奖联系起来,甚至有报道引用一作者的导师杨振宁语赞扬一作者“他获得诺贝尔奖只是时间问题”。也有科学家评论该成果本身并不具备获得诺贝尔奖的条件。 马约拉纳费米子称为“天使粒子”是否合适也引起了争议。成果的主要作者之一加州大学洛杉矶分校王康隆教授指出“天使粒子”这个名字我也是昨天才听说,我认为不太适合。我觉得“太极粒子”可能更贴切。”

尽管“天使粒子”是否是诺贝尔奖级重磅成果乃至名称都有争论,但毋庸置疑发表于《科学》证明是不可忽视的科学突破。“天使粒子”发现的《科学》论文,中国科大少年班校友夏晶(9900)也是重要作者之一。而另一位科大少年班校友傅亮则在2008年在寻找Majorana 费米子的突破。

包括斯坦福大学网站在内的英文媒体称:马约拉那费米子的发现是是由加州大学与斯坦福大学的合作组基于奇异材料(exotic materials)的一系列实验完成的。小组的领导人是 “加州大学艾尔文分校夏晶副教授与加州大学洛杉矶分校的王康隆教授,随后斯坦福张首晟提出(研究)计划”。

天使粒子的更早突破在2008年:傅亮功不可没

有评论文章称“Kane 和傅亮(编者注:中国科大00级少年班)在这之前已经在拓扑绝缘体方面做了开拓性的工作”。而另一篇网文如此称赞早在2008年的突破,傅亮“另辟蹊径”的贡献。

寻找Majorana 费米子的突破出现在2008 年。Pennsylvania 大学的物理学家Charles Kane 和他的博士研究生傅亮另辟蹊径,不再纠结于配对机制——毕竟自然界里最常见的是自旋单态配对,而是在电子的能带结构上作文章。如果电子的能带结构破坏了自旋对称性,是不是也能够产生Majorana 费米子?Kane 和傅亮在这之前已经在拓扑绝缘体方面做了开拓性的工作,他们注意到三维拓扑绝缘体的表面态是强自旋轨道耦合的Dirac 费米子,电子的自旋方向和运动方向“锁”在一起。他们在表面态的理论中加入了超导自旋单态配对,结果发现超导涡旋中出现了Majorana 费米子!至于如何在表面态产生超导配对则被 Kane 和傅亮用一种巧妙的方式解决了:通过在表面上放一块超导体来来诱导出配对。这一方案令人耳目一新:自旋轨道耦合、超导邻近效应,都是之前这一领域的研究者们没有注意到的,尤其是这种“DIY组装”拓扑超导体的想法,更是大大开拓了研究者们的思路。

Kane 和傅亮的方案理论上十分简单优美,实验上看起来也没有什么根本性的困难。但是拓扑绝缘体作为一个新材料“出生”于2006 年,到那时也不过“两周岁”,仍然处于初步的摸索阶段。有没有可能用更加传统的材料来替换这里的拓扑绝缘体表面态呢?Maryland 大学的Das Sarma 研究组在Kane 和傅亮工作的基础上再进一步。他们发现,只要用物理学家们研究了好几十年的准二维半导体材料,加上合适的外Zeeman 磁场就可以达到同样的效果。具体来说,Zeeman 磁场使得电子自旋极化,当材料的费米能比Zeeman 能量更低的时候真正参与物理过程的只有自旋极化的电子。但是自旋极化的电子无法参与自旋单态配对,自旋轨道耦合这时候起到了关键作用,使得极化的电子也能够得到有效的配对。从图2 中可以看到,费米面上动量相反的电子自旋方向在xy 平面的投影也相反,因此可以形成单态配对。这几个因素综合在一起,就实现了Majorana 费米子所需要的拓扑超导体。

关于天使粒子:马约拉纳费米子

这一题为《量子反常霍尔绝缘体—超导体结构中的手性马约拉纳费米子模式》的论文宣称,成果验证了由意大利理论物理学家马约拉纳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,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

这一发现,验证了由意大利理论物理学家马约拉纳在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,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

  国际同行指出,发现马约拉纳费米子是一项里程碑式的科学发现,不仅具有重大的理论意义,而且具有重要的潜在应用价值。据介绍,马约拉纳费米子为量子比特的稳定安全存储提供了新的方式,从而使有效的量子计算成为可能。

中国科大少年班校友夏晶博士简介

夏晶1999年从湖北武汉市华中师大一附中考入中国科大少年班系(教育改革试点班),2003年获得学士学位,2008年获得斯坦福大学物理学博士,其后在加州理工学院从事博士后研究。夏晶现为加州大学艾尔文分校副教授,曾获得斯隆研究奖。

中国科大少年班校友傅亮博士简介

傅亮2000年考入中国科大少年班,于2009年获宾夕法尼亚大学物理学博士学位。傅亮现为麻省理工学院物理系副教授。傅亮2013年曾获美国能源部“早期研究生涯奖”,他主要研究领域为凝聚态物质量子理论。傅亮因在凝聚态物理学方面的工作,尤其是用拓扑学理解新的物态作出的贡献获得物理学新视野奖。


 
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