看见”马约拉纳费米子——定义不同造成认知差别

0

很多人在科幻作品中听说过“反物质”:宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质世界”,它的基本属性同我们周围的世界正好相反,反物质一旦同我们世界的“正物质”接触,便会在瞬间发生爆炸,产生“湮灭”现象。

英国物理学家狄拉克把量子力学与高速运动所必须的相对论力学相结合提出了反物质的概念。而后我国著名物理学家赵忠尧的发现验证了狄拉克的理论,这也就意味着,任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。

1937年,意大利理论物理学家埃雷托·马约拉纳天才地预言道,应该存在着一种粒子,它和它的反粒子是一样的!埃雷托·马约拉纳是一位神人,有记录的寿命是32年,在1938年左右离奇失踪……在他真正研究物理的五六年里,其对许多物理难题都贡献了无与伦比的超前思维,时至今日,科学爱好者们也没有忘记他。他多次成为科幻小说或电影的主角,甚至还有关于他的科幻连环画集,在连环画里,马约拉纳的结局最为辉煌——被外星人接走了!)

自此,有不少科学家走上了寻找这种粒子的艰难旅程。

近80年中,神奇的马约拉纳费米子像那位不知踪迹的埃雷托·马约拉纳一样神秘难测,但在上海交通大学物理与天文系贾金锋教授领导的科研团队的努力之下,人类真正“看”到了它!

该研究成果在世界著名的顶级学术期刊物理学快报PRL上一经发表,立即获得了多方关注,在《赛先生》微信公众号刊发的访谈文章中,著名理论物理学家、《赛先生》主编文小刚教授对此的评论,引起了些许争议。也让不明真相的吃瓜群众产生了疑问,“捕获马约拉纳费米子这件事,是真的吗?”

就此,我们访谈了上海交通大学教授、马约拉纳费米子捕获者贾金锋。现将访谈整理如下,以飨读者。


贾金锋教授与中科院计算机网络信息中心采访团队合影

定义不同造成的分歧

在6月23日《赛先生》专访贾金锋教授的文章中,文小刚教授在访谈实录前加入了自己的一个观点:“当超导材料有自旋轨道耦合时,根据BCS理论,其中的准粒子正好是自己的反粒子。BCS理论已经被很多实验反复验证过。准粒子数目不守恒已经成为了凝聚态物理超导常识。准粒子数只有奇偶守恒,这正是马约拉纳费米子的特点,所以超导材料中的准粒子应该就是马约拉纳费米子,其早已被发现,验证了马约拉纳的预言。”这个观点引起了一些分歧,马约拉纳费米子到底怎么定义?它早被证实了么?

贾金锋解释说,这个不必要的误解完全是由于定义不同造成的。

文小刚教授非常关注这项研究工作,并给予这次研究进展高度的评价,这让我们倍受鼓舞。文教授认为的那段话(编者注:指上面提到的文小刚教授在《赛先生》文章中表达的观点)确实很难理解,我们沟通以后才弄清楚这只是一个定义的问题。

其实,在普通超导体中不可能存在马约拉纳费米子,文教授根据英文维基搜索内容所定义的马约拉纳费米子实际上不满足马约拉纳条件,只是普通超导体中的非零能激发态,这些激发态确实是早就被发现了,但它们和马约拉纳的预言一点关系没有。真正的Majorana fermion(马约拉纳费米子)就是他文章里说的马约拉纳零能模。马约拉纳费米子是且必须是电中性,满足于马约拉纳方程的费米型粒子。正因为马约拉纳费米子奇特的物性,它们才那么难以寻觅,所以,马约拉纳费米子探测工作曾被《科学》杂志评为2012年十大突破。只有看见‘零能模’才能真正地确认马约拉纳费米子的存在,证实马约拉纳的预言。

这个分歧完全是由于一个与常规不同的定义造成的。要指出的是在凝聚态中的马约拉纳费米子、马约拉纳零能模和马约拉纳准粒子都是一个东西,马约拉纳费米子只能在拓扑超导体中才能出现,弄清楚这个,就不容易产生分歧了。”贾金锋教授如是说,“其实,文教授在那篇文章的最后加了一个进一步说明,解释了他的定义不同,这样就把问题说清楚了。

追寻最本质真相是不断突破创新的过程

每一次争议都是对科学的不断完善,保持着严谨的态度,实事求是,追寻科学最本质的真相是所有科研人员不断努力的目标。

实际上,在贾金锋领导的科研团队宣布捕获马约拉纳费米子前,Kouwenhoven和Yazdani领导的两个团组都曾经声称发现了马约拉纳零能模,不过均被领域内权威人士质疑。

为什么贾金锋团队这次的研究成果能够获得业内的广泛关注和肯定,他们的研究又有什么独到之处呢?

我们都知道,每一次重大的科学发现总是伴随着科研人员的不懈努力,每一次的寻找都是不断的突破以及创新的过程。而对贾金锋来说,寻找马约拉纳费米子的过程,就是一个不断创新的过程。能够取得让业内“大拿”们都认可的成果,贾金锋认为,在这个体系里面,主要有三个重要的创新。

一个就是我们实验方法的创新,我们把材料生长最好的设备和表征能力最强的仪器结合在一起,这是一个很重要的创新,有了这种联合体之后,我们对材料制备的控制能力大大地提高了,薛其坤院士团队和我们交大团队在薄膜生长的精确控制方面早已是世界领先地位。正因为如此,我们才有能力去研究这个项目,才能有机会接触到这个项目。

另外一个是研究团队在材料设计方面重要突破,通过材料设计方面的创新,我们在世界上,首次用最简单的办法创造出这个自然界没有的拓扑超导体来,这个拓扑超导体为我们提供了独一无二的材料体系,使得我们能够用各种先进的技术办法对普通超导体和拓扑超导体进行观察、研究,比较,寻找差异,从而找到马约拉纳费米子的各种迹象。

最后一项创新,主要是我们在理论的指导下,用不同的方法来找马约拉纳费米子,把几种迹象、证据结合在一起,这样我们才能最后肯定地找出马约拉纳费米子。

当然,还有一个重要的原因,就是合作在寻找过程中是非常重要的。在我们发表的四篇相关文章里面,合作单位大概有十个,合作的人有几十位。我们还得到了薛其坤院士、张泽院士等来自学术方面的持续支持。如果没有这样广泛的合作,光靠我们团队自身是没法完成的。有了很好的条件,有了这样的想法,同时进行合作,把所有的这些结合在一起,这样才保证了我们最后发现了马约拉纳费米子。

寄语广大青年:做科研,并不像想象中那么枯燥

除了谈到本次发现外,贾金锋教授还用自己的经验告诉广大青年人,科研并不是一件枯燥的事情,他还特别为物理学研究做了个“广告”,并提出了三个理由。

理由一:物理是门大学科,基础科学,学物理的年轻人对自然世界的理解是宽泛且深刻的,所以未来能够跨的专业非常广,这是一个很好的事情。

理由二:科研给你无限新奇的世界。你(学生)做科研的话,科研永远不是重复性的东西,你永远都在学习,找新东西。打交道的东西都是新的,边干边学。我觉得过这样充满新意的生活是会很高兴的,接触到的永远都是新鲜的。

理由三:现在国家非常重视基础学科建设,对于优秀的年轻的科研人员,待遇已经有很大改善了。如果入围‘青年千人计划’,国家给的补贴也是很可观的。

扫一扫关注公众号,看更多物理竞赛干货
复制   wulijingsai   微信公众号搜索关注

 

Comments are closed.