困扰物理学界80余年的马约拉纳费米子首次在金属中捕获到

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困扰物理学界80余年的马约拉纳费米子首次在金属中捕获到

世界上是否存在一种粒子,它的反粒子就是自己本身?

这个问题在提出 80 余年后,终于得到了肯定的回答。

2016 年,中美科学家首次联合捕获到了这种粒子——「马约拉纳费米子」(Majorana fermion)。

近日,麻省理工学院物理系、印度理工学院物理系、加州大学河滨分校物理学与天文学系、香港科技大学物理学系的一组研究人员更是在我们都不陌生的金属「金」中观察到了马约拉纳费米子,相关论文于 2020 年 4 月 6 日发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

鉴于其独特的属性,马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择之一。因此,这一发现无疑推动了容错量子计算机的研发,向人类量子计算之梦的实现又迈进了一步。

神秘的粒子

物理学中,能够以自由状态存在的最小物质组成部分便是粒子。粒子又主要分为两派——费米子(fermion,如电子、质子)和玻色子(Boson,如光子、介子)。

其中,费米子即一切自旋(Spin)为 1/2 的粒子,这一概念最早由曾于 1933 年与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖的量子力学奠基人之一 Paul Dirac 提出。Paul Dirac 认为,每个费米子在宇宙中都存在着一个与之相对的反粒子,二者就像脾气完全相反的一对双胞胎一样,二者产生的能量甚至可能让它们瞬间湮灭。

不过,1937 年,意大利物理学家 Ettore Majorana 预言,存在一种特殊的费米子,它们的反粒子和自己的长相、脾气都完全一样,也就是说,它们的反粒子就是自己本身,在量子计算中可被用来形成稳定的比特。

后来,这种特殊的费米子被命名为“马约拉纳费米子”(Majorana fermion,因 Ettore Majorana 得名),为便于区分,传统认知里的费米子通常被称为“狄拉克费米子”(Dirac fermion,因 Paul Dirac 得名)。

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