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[粒子]祛魅“天使粒子”：轰动一时的物理突破竟只是平庸 “短路”


宣布“结束人类80年的漫长追寻” ， 旋即又陷入到2年多的争议 。 4位华人科学家发现正反同体“天使粒子”的成果 ， 终于迎来了阶段性的判定 。
1月3日 ， 以美国宾夕法尼亚州立大学物理系助理教授常翠祖等为通讯作者的一篇论文在线发表在顶级学术期刊《科学》上 。 该团队在30多个样品上均未能找到“天使粒子”存在的证据 ， 相反 ， 此前所谓的“证据”可能用一种更为平庸的“短路”机制来解释 。
正反一体粒子
时间倒回到2017年7月 ， 同样是在《科学》上 ， 一篇题为《量子反常霍尔绝缘体-超导体结构中的手征马约拉纳费米子模》的论文出世 ， 轰动一时 ， 通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆 。
这项工作 ， 涉及到一种预言中的神秘粒子——马约拉纳费米子 。 物理学领域的基本粒子分为两种：费米子和玻色子 ， 费米子包含电子、夸克等我们熟悉的组成物质的粒子 。
1928年 ， 物理学家保罗·狄拉克做出预测：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎” 。 当粒子与反粒子相遇时 ， 它们会湮灭 ， 同时释放出一股能量 。
1937年 ， 意大利天才物理学家埃托雷·马约拉纳提供了另一种预测：应该有一些费米子 ， 自己就是自己的反粒子 ， 并可以用一个波动方程来描述 。 马约拉纳预测之后悄然失踪 ， 给这一预言增添了神秘色彩 。
[粒子]祛魅“天使粒子”：轰动一时的物理突破竟只是平庸 “短路”
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意大利天才物理学家埃托雷·马约拉纳
80年后 ， 同样有天才之名的张首晟给马约拉纳费米子起了个别名叫“天使粒子” ， 灵感来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》 。 “这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景 。 过去我们认为有粒子必有其反粒子 ， 正如有天使必有魔鬼 。 但今天 ， 我们找到了一个没有反粒子的粒子 ， 一个只有天使 ， 没有魔鬼的完美世界 。 ”
电导“半个台阶”
何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆等人找到的决定性实验证据 ， 是“半个台阶” ， 即半整数电导机制 。
张首晟在2008年理论预言了量子反常霍尔效应 ， 并在2013年被其好友、清华大学教授薛其坤团队证实 。 在实验中 ， 随着调节外磁场 ， 反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台 ， 对应着1、0、-1倍基本电阻单位e2/ h 。 也就是说 ， 它只能整数倍地“跳台阶” 。
通常的粒子只能跳整个台阶 ， 那么正反同体的马约拉那费米子从某种意义上算是“半个粒子” ， 会不会按半整数跳呢？1993年 ， 文小刚就预测在一些二维拓扑物态边界上会出现手征马约拉纳费米子模 。
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王康隆团队使用的器件结构
当加州大学洛杉矶分校王康隆团队把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时 ， 确实看到了“半个台阶” ， 对应 1/2 倍基本电阻单位e2/ h 。
成果三重争议
在广泛媒体报道之后 ， “天使粒子”成果陷入长期争议 。
第一重争议：有没有发现真实的粒子？
其实 ， 马约拉纳费米子一直有个“最佳嫌疑人” ， 就是中微子 。 不过 ， 证明这一点需要进行无中微子的beta双衰变实验 ， 人类暂时还没有能力达到相应的实验精度 。 因此 ， 一些科学家将目光转向了凝聚态物理 。
凝聚态物理学研究的是由大量粒子组成的凝聚态结构 ， 一般无法直接观测到单个粒子 。 不过 ， 固体材料（比如金属、非金属、半导体、超导体）内部的自由电子 ， 在何时的磁场、压力、温度等外部条件下 ， 会产生特定的集体活动趋势 ， 仿佛是一个虚拟粒子 。
这些“准粒子” ， 在合适的环境条件会表现出和真实粒子一样的物理规律 ， 只是“附身”在固体材料上 ， 可以视作粒子投射其上的魅影 ， 即马约拉纳费米子模 。


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