漫畫 | 「天使粒子」，說白了就是讓狗熊承認自己是兔兔

2017年7月21日，何慶林、王康隆和張首晟等幾位物理學家在《科學》雜誌撰文指出，他們在量子反常霍爾絕緣-超導結構中發現了一維手征馬約拉納費米子模的存在。他們還給這個發現起了一個神神道道的名字：「天使粒子」。

上面那句話里的每個字我都認識，連起來到底是什麼意思呢？

其實，他們發現的並不是一種真實存在的粒子，而是通過布置各種外部條件，讓電子按照某一種特殊的方式運動，讓它看起來有點兒像一種新的粒子。說白了就是讓狗熊承認自己是兔兔。

下面，我們來用13幅圖逐一解釋這個新聞的意思。

自然界的物質都是由基本粒子組成的。但是基本粒子太多了，物理學家數的眼睛都花了。

為了分清楚誰是誰，物理學家根據粒子的性格不同，將它們分成兩大類。

有的粒子可以相互擠在一起也不抱怨，叫做玻色子。比如，光子就是一種玻色子。

有的粒子不喜歡扎堆，喜歡各走各的路，叫做費米子。比如，電子就是一種費米子。

每一種費米子都有它的反粒子，比如電子的反粒子就是正電子。

反粒子除了質量之外，許多性質都跟它原來的粒子完全相反。比如，電子帶負電，正電子就帶正電。

反粒子不是拍腦袋想出來的，而是真實存在的東西。醫院裡檢測癌細胞用的PET-CT的原理，就是探測癌細胞吸收的藥物所發出的正電子。

1937年，一位年輕的物理學家馬約拉納提出，從數學上看，有一種費米子，可以和它的反粒子完全等價。它就是它自己的反粒子。

於是，這樣的費米子就叫做馬約拉納費米子。這次實驗中發現的新粒子就跟它有關。

在提出馬約拉納費米子后不久，馬約拉納本人就在一艘船上神秘的失蹤了。在之後的幾十年裡，粒子物理學家也始終沒有發現這種粒子。

有個笑話說，一群怪警察去森林裡抓兔子，最後有一隻奄奄一息的熊跟著他們走出來，邊哭邊說：「不要再打了，我就是兔子。」

由於粒子物理學家一直找不到馬約拉納費米子，凝聚態物理學家變自告奮勇地扮演起怪警察的角色，而被他們折磨的奄奄一息的熊，就是各種固體物質中的電子。

在粒子物理學家眼中，電子就是電子，只會按照一種確定的方程運動，沒有什麼花頭可以玩。

但凝聚態物理學家城會玩！他們把溫度降低到絕對零度附近，加上了電場、磁場，又改變固體的形狀，再向固體摻入雜質，還把幾種固體捏在一起。總之，就是使盡各種手段折磨電子。

由於電子受到各式各樣的外力作用，再也不能自由自在地瞎胡跑了，只好根據周圍的環境，按照另一種完全不同的方式運動。

比如，在BCS超導理論中，當溫度低到絕對零度附近時，兩個同性的電子突然抽風了。

它們「同性相吸」，配成了一對，變成了一種「准粒子」，運動起來就突然沒有電阻了。你說奇怪不奇怪？

在何慶林、王康隆和張首晟等幾位物理學家的實驗中，他們把一種由金和鈮組成的奇怪固體拍成薄片狀，夾在另一種由碲銻鉍鉻組成的奇怪固體薄片中間（即量子反常霍爾絕緣體。當它與前面的薄片結合后，在一定條件下可變成拓撲超導體），降溫到絕對零度附近，再加上電場和磁場。

結果發現，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圈了。

這種特殊轉圈方式背後的數學，和馬約拉納費米子的數學存在相似之處。

由於電子只能在這個邊界上沿著一個方向轉圈，而不是同時沿著兩個方向轉圈，這在物理學中叫做手征性。

又因為發現的這個粒子並不是真實存在的粒子，而是電子的一種特殊運動模式，所以，這個發現才叫作「在量子反常霍爾絕緣-超導結構中發現了一維手征馬約拉納費米子模的存在。」

物理學家為什麼閑的沒事要折磨電子呢？

因為你現在用手機、電腦做運算，本質上都是在操縱電子。

物理學家研究這種新型的操縱電子的方式，有助於將來發明一種比普通量子計算機抗干擾能力更強的拓撲量子計算機。

美指：牛貓

繪製：賞鑒

排版：胡豆

鳴謝：吳飆，程蒙，文小剛

註：在本文繪製的同時，程蒙和文小剛兩位物理學家對這個發現的可能應用提出了更詳細的評論。

程蒙：這個發現中的一維手征馬約拉納費米子模並不能直接用於拓撲量子計算，但它意味著這個系統當中有些別的玩意可以用來做量子計算。當然還需要進一步的實驗來驗證是否真的可行。

文小剛：的確手征馬拉約納費米子和量子計算沒有直接的關係。我在90年代的工作證明了邊界上存在手征馬拉約納費米子，意味著體內存在非阿貝爾粒子。非阿貝爾粒子和量子計算有直接關係。