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中国科研团队率先发现“幽灵粒子”|注册税务师报名时

作者:陕西芙爱尔婚庆礼仪服务有限公司 来源:www.fair521.com 未知发布时间:2015-08-25 12:35:05
中国科研团队率先发现“幽灵粒子”

  86年前,德国数学家、物理学家赫尔曼?外尔(H?Weyl)预言存在一种没有质量的粒子――Weyl费米子,这种粒子带有非常独特的物理特性。但是,科学家们一直没有发现这种粒子的存在。在长时间内,Weyl费米子就像是幽灵一般,人们难以发现它在阳光下的影子。

  7月20日,这个幽灵般的粒子终于现出了原形,中国科学院物理研究所0d21b7ecd348687ef94fecff66e2f00b14a9cde92d181fe25544c66f976974c7,钽砷晶体(TaAs)等四种磁性的半金属材料中发现了Weyl费米子。这是国际上物理学研究的一项重要突破。

  这一类科学研究属于物理学中的凝聚态物理学领域,相比于量子物理等理论物理来说,凝聚态物理属于注重应用的交叉e705a3ddf1531cba8aa76aea4e249bfa。凝聚态物理一个重要的研究内容就是,发现新物态,标识新物态,观测、理解并调控它所具有的物理性质以及不同物态之间的相互转变。因此,中科院物理研究所的这一科研成果,让人们对于诸如量子计算机等科技转化产品更加期待

  ●撰文:南方日报驻京7f7692aeed1e1d5c1d2143b34f5f1523 王腾腾 实习生 韩丽媛 策划统筹:罗彦 陈超

  科学家预测存三种费米子

  科学家们认为,存在着狄拉克、马约拉纳和Weyl费米子,此前已在粒子加速器内发现了前两种费米子的证据,但始终没有发现Weyl费米子的踪迹,它如幽灵般存在

  中科院物理研究所的这项科研成果最重要的核心就是对于Weyl费米子的发现。1928年,狄拉克提出描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年,德国科学家H?Weyl指出,狄拉克方程质量为零的解描述的是一对重叠在一起的具有相反手性的新粒子,这就是“Weyl费米子”。

  手性广泛存在于自然界中,在多种学科中表示一种重要的对称特点。如果某物体与其镜像不同,则其被称为“手性”的,且其镜像是不能与原物体重合的,就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。

  在物理学领域,人们将构成物质的最小最基本的单位,且在不改变物质属性的前提下的最小体积物质称作“基本粒子”。它是组成各种各样物体的基础。

  按照不同的参照标准,基本粒子有多种区分方法。根据作用力的不同,可为强子、轻子、传播子三大类。根据自旋倍数的不同,则可以分为玻色子与费米子。

  粒子的四种属性中,最重要的属性便是自旋。自旋的属性把粒子分割成了完全不同的两类,就像是人类的男女性别。粒子的自旋并非像是地球一样的续不间断的自旋,而是跳跃式的,就像是在打着节eb8bab4ccf05e52c5d30ed2cc9b10731814d6f18eeaacc326baa614bd78a跳舞。有的粒子在跳5b053b9bc5e298dd78fec90a53c2460999caa3e4ca30b69d34abf06e0103时总是转半圈或者是半整数,那它就是费米子。而有的粒子则能转一圈或者整数圈,那它就是玻色子。

  这种自旋差异d7a4cc73f172f8cb896b6cbf6d56d33e费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态。它们2c50fb01fe659b26f727fcace42d2ab3有相同的特性,也不能在同一时处于同一地点。而玻色子却能够具有相同的特性。

  自旋方向又可以分为左手自旋以及右手自旋,完全是两个相反的自旋方向。Weyl费米子却同时具有左手自旋以及右手自旋。根据“手性”的定义,Weyl费米子也就同时具有了左手手性以及右手手性,这对于其特殊的性质构成起到了决定性作用。

  基本粒子中所有的物质粒子都是费米子,是构成物质的原材料,如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子;而传递作用力的粒子,如光子、介子、胶子等,都是玻色子。

  人们所熟知的被称作“上帝粒子”的希格斯粒子,其本身就是一种“玻色子”。经过长期研究和探索,科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论,它把基本粒子分成3大类:夸克、轻子与玻色子。“标准模型”的出现,使得各种粒子如鸟归拥有了一个共同的“家”。

  但是这一“家园”有个致命缺陷,那就是该模型无法解释物质质量的来源。为了修补缺陷,希格斯提出了希格斯场的存在,并进而预言了希格斯玻色子的存在。他假设希格斯玻色子是物质的质量之源,是电子和夸克等形成质量的基础。其它粒子在希格斯玻色子构成的海洋中游弋,受其作用而产生惯性,最终才有了质量。

  科学家们认为,存在着狄拉克、马约拉纳和Weyl费米子,此前已在粒子加速器内发现了前两种费米子的证据,但始终没有发现Weyl费米子的踪迹,它如幽灵般存在。

  争相探寻无质量的电子

  三种费米子具有相似的特性,其中之一就是质量为0。起初,人们认为费米子就是中微子。但却无法证明,因为三种中微子――电子中微子、缪中微子、陶中微子之间存在着振荡的现象

  从提出到发现Weyl费米子用去了科学界86年的时间,为了找到它,全世界的科学家都在争相创造可能存在Weyl费米子的人工环境。实际上,前两种费米子的发现也颇费周折,尤其是马约拉纳费米子。

  马约拉纳费米子最早是由意大利物理学家埃托雷?马约拉纳于1937年预测的。这种粒子是独一无二的,因为它是唯一同时具有物质与反物质特性的粒子。一般认为,玻色子的反粒子可以是其自身,费米子则不是。但是在1937年,意大利物理学家埃托雷?马约拉纳对英国物理学家保罗?狄拉克用于描述费米子和玻色子行为的方程式进行了改写,并预测自然界中可能存在一种费米子是自己的反粒子,人们将其称为马约拉纳费米子,认为其在量子计算中可用来形成稳定的比特。

  但是,科学家一直没有找到它。直到2014年10月,美国普林斯顿大学和得克萨斯大学奥斯汀分校的一个科学家团队宣布,他们已经找到了神秘莫测的马约拉纳费米子。在此之前科学家已经寻找了近80年。

  三种费米子具有相似的特性,其中之一就是质量为0。起初,人们认为费米子就是中微子。但却无法证明,因为三种中微子――电子中微子、缪中微子、陶中微子之间存在着振荡的现象。

  费米子在某些特性上与中微子具有相似性,比如几乎不与周围的环境发生作用,这也是其极难被发现的原因之一。每天,大量从太阳散发出来的中微子都会抵达地球,但是它们毫发c5f4fc6f88dc69e2013acfbe21922098、悄无声息地就fb9d1c67ea52018951f4da38f12dca98地6b6b13520253abfe19491135b209a40d,轻轻地走,不一丝痕迹。在标准模型中,中微子的质量也被认为是0,然而一系列的科学实验证明,中微子虽然微小,但是仍然具有质量,其表现就是“振荡”,即可以由电子中微子振荡为缪中微子。而振荡只有在有质量的粒子间进行。

  中科院物理所戴希研究员在博上表示,他的同事、科研团队成员翁红明等人年初到了钽砷晶体(TaAs)等四种非磁性的Weyl半金属材料,这是科研取得进展的关键。

  近年来,拓扑绝缘体,尤其是拓扑半金属领域的飞速发展为Weyl费米子的产生和观测提供了新的思路和途径。

  突破首先来自拓扑狄拉克半金属的发现。中科院物理所方忠、戴希、翁红明及合作者于2012年和2013年先后从理论上预言两种狄拉克半金属,其费米面由四度简并的狄拉克点构成,是无质量的狄拉克费米子。2014年,他们跟实验组合作,分别在这两种狄拉克半金属中观测到了三维狄拉克锥,证实了理论预言,被称为首次发现“三维石墨烯”。

  实际上,石墨烯的超高导电性能也是由于狄拉克点的存在而产生的。狄拉克点的存在使得低能电子向高能电子之间的跃迁非常活跃。

  最近,翁红明、方忠、戴希等一起,通过计算,发现TaAs(钽砷晶体)等四种同结构家族材料是天然存在的非磁性非中心对称的Weyl半金属。

  中科院物理所的陈根富小组首先制备出了具有原子级平整表面的大块TaAs晶体,而Weyl费米子就藏身于这种晶体中。随后物理所丁洪小组利用上海光源“梦之线”的同步辐射光束照射TaAs晶体,使得Weyl费米子第一次展现在人们面前。

  在量子计算机中大展

  当前的电子设备充电套路是电子流通过电线和电路进入设。这些粒子不仅笨重、不易控制,还导致能量流失。如果我们用Weyl费米子将之置换掉,一个费米子装置就能够保证电流几乎不流失

  Weyl费米子的发现将极大地推进未来技术的发展,据科研人员介绍,具有“手性”的Weyl费米子的半金属能实现低能耗的电子传输,有望解决当电子2b013a33581b085731998d0fe8488fa3件小型化和多功能化所面临的能耗106eeb6cc6562009e06a9ca6ce3cd8dc题。

  当前的电子设备充电套路是电子流通过电线和电路进入设备。这些粒子不仅笨重、不易控制,还会导致能量流失。如果我们用Weyl费米子将之置换掉,一个费米子装置就能够保证电流几乎不流失,并且能保证在几乎不损耗能源的情况下完成高功率计算。

  同时Weyl费米子也受到对称性的保护,制造比现在的级计算机运行速度更快的量子计算机。

  二进制下,一台计算机最重要的是实现0态到1态的构建,并可以控制双态之间的转换。电子管的发明拉开了现代计算机的序幕,晶体管的发明与应用则大大减少了计算机的功耗与体积,提升了计算速度。可以看出,导体材料的发展对于计算机的运算与设计具有重大作用。

  在计算速度方面,器件频率的高低是最关键的参数,决定这一参数高低的是材料中电子跃迁率的高低。传统计算机已经在这方面遇到了瓶颈。石墨烯材料的出现,让人们重燃希望。因为在石墨烯中,存在狄拉克点,很容易实现很高的电子跃迁率,从而提高器件工作效率。但是石墨烯并不是的。

  而后,针对狄拉克电子的特性而出现的三维狄拉克材料,虽然能满足石墨烯不能满的特性,但是该材料在空气中极不稳定。而且,这些材料狄拉克点上费米子的两种自旋无法分开,就没有办法实现0态到1态之间的转变。

  由于总成对出现的Weyl费米子的“手性”特征,如TaAS(钽砷晶)Weyl半金属材料中,每26aa7df14b89c9c7c9fd286d26a9a25e对Weyl点上费米子都对应了不同的自旋和手性,正好可以做0态和1态,且具和狄拉克点同样的电子跃迁率。而且,钽砷晶体性质稳定,便于应

  但是,这同样距离5933976101c6f468ec48397d4570a675的量子计算机应用有一段距离,“制造这样一941acc0b6ab904642102329d1543e71c设备所面临的最大挑战就是过去曾被用来进行量子计算的光子等粒子的量子态所具有的脆弱性。电磁干扰或物理干扰可以轻松地导致粒子失去或改变量子态,并打它们本应进行的计算。”翁红明说。

  ■链

  发现Weyl费米子 谁是首次?

  在中国科学院物理研究所公布发现Weyl费米子的前两天,一则消息称,普林斯顿大学物理学家扎伊德?哈桑领导的团队首次通过实验,在Weyl半金属中造出了Weyl费米子。

  事实上,在中方科研人员看来,是以中科院物理所为主的中国科学家首次通过理论计算发现这种半金属,也是中国科学家首次通过角分辨光电子能发现了Weyl费米子的存在。

  80多年来,科学家一直没有在实验中发现Weyl费米子。到2015年1月初,依据中科院物理所研究员方忠带领的研究组的理论预言和材料计算结果,中科院物理所陈根富小组制备出了具有原子级平整表面的大块砷化钽(TaAs)晶体,中科院物理所丁洪小组利用他们不久前在上海光源建成的“梦之线”角分辨光电子能谱实验站上对TaAs晶体进d50e36ea2cbcd7c14eff95edacea7aab量,首次观测到Weyl费米子的特征性现象――表面费米弧。

  只要观测到费米弧,就能断定Weyl费米子的存在,即从实验上发现了这奇特的粒子。

  2月16日,这个实验小组在物理学界知名的学术交流网站arXiv上,公开了费米弧的发现,宣布Weyl费米子被发现。

  几乎同时,美国麻省理工学院以及普林斯顿大学授哈桑的两个实验小组也在arXiv网站上公开了类似的研究成果。

  2月17日,丁洪究小组把这项学术成果提e42224d06d2024599a539ce55945b509给了《科学》杂志。然而,7月16日,《科学》杂志在线刊登了哈桑小组和麻省理工学院的研究成果,而中国科学的论文被意外拒稿。最终该论文在未作b0f89d892cf50724a570add1c75d64fd的情况下被在物理学界极具影响的《物评论X》接受发表。

  中国科研人员认为,中国科学家的原创工作毋庸置疑。正是中国科学家在拓扑半金属领域中开创性的理论工作,找到了Weyl半金属,才能发现Weyl费米子。这为Weyl费米子的发现提供了新的思路和途径。在国际同行眼中,中国科学家的这一发现,从材料理论预言到实验观测都是独立完成。

  2012年、2013年两年里,中科院物理研究所方忠研究组及合作先后从理论上预言钠三铋晶体(Na3Bi)和三砷化二铬晶体(Cd3As2)是狄拉克半金属。2014年,他们实了理论预言,首次发现“三维本的石墨烯”。这为发现Weyl费米子迈出了键性的一步。

  2015年1月5日,中科院物理所的研究团队收到了来自哈桑小组的一封信。信中告,他们也有类似的工作,并也将当时尚未发表的文张贴在arXiv站上。

  根据《中国科学2cf533e5cc5416927c6356b51c2f765b》报道,哈桑强调了这篇论文的重要性,并称“这篇论文于2014年11月提交给《自然-通讯》杂志,比中科学家的结果早很多”。

  然而,事实是这篇论文在2015年54ca0d8b3b79d598e55506c624152e8c082924bbee0721635df0a12598806186291fca18907762dfd8d4732975才被期刊正式接收,最终在2015年6月12日刊发。这已经是在中科院物理所团队的成果发表近3个月之后。而且哈桑小组在这篇文章中使用了中方科研人员翁红明参与开发的计算软件包,并引用了以他为第一作者于2009年发表的一篇文章。

  根据时间先后来判断,中国科学院物理研究所的科研团队并没有理由失去“首发”。



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