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中国科学家发现外尔费米子可用于手机电池和量子计算机

发布时间:2020-01-14 18:24:58 阅读: 来源:碳酸盐厂家

听说过“上帝粒子”,那你听说过“幽灵粒子”吗?中国科学家今日公布的成果显示,他们成功捕捉到一种困扰物理学家近一个世纪的“幽灵粒子”——外尔费米子(Weyl费米子)。至于有什么用?这项成果可以解决手机待机时间短的问题,比如,可以实现手机电池一年充一次电。

科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类,费米子是组成物质的基本粒子。外尔费米子被称为预言中的奇特粒子,是当今凝聚态物理最前沿的研究对象之一。如今,被中国学家证实了。

7月20日,中国科学院物理研究所发布消息:他们发现了具有“手性”的电子态——外尔费米子。这是国际上物理学研究的一项重要科学突破,对“拓扑电子学”和“量子计算机”等颠覆性技术的突破具有非常重要的意义。物理所表示,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。

1929年,德国数学家、物理学家赫尔曼·外尔(H. Weyl)最先提出了这种无质量(即线性色散)的粒子——外尔费米子——无质量电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”。但是86年来实验从未观测到。

为了能够找到它,全世界的科学家争相创造可能存在外尔费米子的人工环境。

中科院物理所戴希研究员在博客上表示,他的同事翁红明等人年初找到了钽砷晶体(TaAs)等四种非磁性的外尔半金属材料,是取得进展的关键。翁红明在接受采访时说:“你可以将外尔费米子想象成一个极小的、只有一个磁极的磁棒。”

翁红明说,在自然界中,无论你将磁铁切割成多小,它始终都带有南北两个磁极,磁场在磁极之间流动。作为仅有一个磁极且没有质量的粒子,外尔费米子能够完成诸多当前科技不可企及的任务。

翁红明告诉科技日报记者:“TaAs材料在1960年代就有研究文章,但没有人意识到上面有外尔费米子。我们这一发现的难度在于,从那么多材料中找到合适的,犹如大海捞针,必须对外尔费米子和材料物理性质都有相当认识才行。”

2012年和2013年,中科院物理所的理论研究团队首次预言在狄拉克半金属中可实现无“质量”的电子。

翁红明的发现2014年12月31日提交电子预印本(Arxiv)网站后,这一结果立刻引起了实验物理学家的重视,国际上许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。中科院物理所,北京大学,美国普林斯顿大学等团队都试图在TaAs中找到外尔费米子。

德国数学家、物理学家赫尔曼·外尔

这是一场激烈竞争。普林斯顿大学团队和中科院物理所团队几乎同时宣布成功。中科院物理所的最新成果将发表在最近一期《自然·物理》杂志上。

英国皇家化学协会网站7月16日报道说:“有两个国际研究组声称发现了电子学的基本建筑单元——外尔费米子。”

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,而外尔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,使得外尔费米子80多年后第一次展现在科学家面前。

外尔费米子的发现将极大地推进未来技术的发展,据介绍,具有“手性”的外尔费米子的半金属能实现低能耗的电子传输,有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题。同时外尔费米子也受到对称性的保护,可以用来实现高容错的拓扑量子计算,制造比现在的超级计算机运行速度更快的量子计算机。

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。如果我们用外尔费米子将之置换掉,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。

含有外尔费米子的材料能够充当超导体,因而也可应用到量子物理学领域。这种材料能够保持长时间的量子态,而不受或很少受到外部世界的影响,这使它成为打造一台实用、高容错量子计算机的热门材料。

制造这样一台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,并打乱它们本应进行的计算。

翁红明说:“不幸的是,外尔费米子这样精美的粒子并不存在于我们的三维世界里。只能在另一个与我们这个世界"相反"的世界里寻到它的芳踪。”

“不是通过大型粒子加速器,而是简单地在晶体里发现了新的粒子现象。这或许对其他实验有启发:凝聚态物理里,通过一些低能激发,可能产生高能物理范围的粒子行为。”翁红明说,下一步他们将试着寻找“拓扑超导”等新物理现象。

延伸阅读:

中外物理学家的科学竞赛——“外尔费米子”的发现之争

外尔费米子,是当今凝聚态物理最前沿的研究对象之一。

7月18日,一则消息引起中科院物理所研究员戴希的注意。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,在外尔半金属中造出了外尔费米子。

事实上,在戴希看来,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谱发现了外尔费米子的存在。

戴希在这条消息下的评论中,认为这场风波属于“科学界的竞争”,是寻找“外尔费米子”的科学竞赛。

实验:激烈的国际竞争

在物理学界,一个通过理论推导和公式推算出的结论必须通过实验验证才能被承认。中科院物理所副研究员翁红明告诉《中国科学报》记者:“没有实验证实,便不能称之为"发现"。”

提到“外尔费米子”理论,则要追溯到1928年,狄拉克提出描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年,德国科学家外尔(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“外尔费米子”。

但是,80多年以来,科学家一直没有在实验中“发现”外尔费米子。直到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晶体进行测量,首次观测到外尔费米子的特征性现象——表面费米弧。

该实验小组成员钱天告诉《中国科学报》记者:“通过"梦之线"探测从材料中激发出来的电子的能量和动量,就能反推出晶体材料的电子结构。”只要观测到费米弧,就能断定外尔费米子的存在,即从实验上“发现”了这种奇特的粒子。

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,宣布外尔费米子被发现,中国科学家领衔的团队被认为揭开了80多年来的世界之谜。

“arXiv网站是物理学界影响力非常大的学术交流网站,其张贴文章的高质量使这家网站在谷歌学术评价上的影响因子甚至超过了许多传统学术期刊。”翁红明说。

几乎同时,美国麻省理工学院以及普林斯顿大学教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,丁洪研究小组把这项学术成果提交给了《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,而中国科学家的论文被意外拒稿。哈桑在电子邮件中回复《中国科学报》记者:“我们将实验成果向《科学》杂志投稿,审稿中没有收到修改意见。”

值得庆幸的是,目前该论文在未作修改的情况下被在物理学界极具影响力的《物理评论X》接受发表。随后,丁洪研究小组又在瑞士光源观测到TaAs中的外尔点及其附近的四维外尔锥,这是外尔半金属的另一个根本特性,该研究成果也即将在国际知名刊物上发表。

理论:中国人的原创

在理论上,中国科学家的原创工作更毋庸置疑。正是中国科学家在拓扑半金属领域中开创性的理论工作,为外尔费米子的产生和观测提供了新的思路和途径。

根据此前的理论研究,外尔费米子可能在“外尔半金属”中被观察到,科学家一直致力于寻找外尔半金属。

2011年,南京大学物理学院教授万贤纲与几名国际研究者合作,通过理论计算预言一种复杂磁结构的铱氧化物可能是外尔半金属。同年,中科院物理所方忠、戴希团队也预言铁磁尖晶石HgCr2Se4也可能是外尔半金属。但是由于磁性材料的复杂性,这两个理论预言的实验验证都变得非常困难。

为此,长期从事理论计算的中科院物理研究所方忠研究组一直想寻找一种非磁外尔半金属。2012年、2013年两年里,他们及合作者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,里面存在三维无质量狄拉克电子,由一对重叠在一起的具有相反手性的“外尔费米子”构成。

2014年,他们跟实验组合作,先后发表一篇《科学》和《自然—材料》论文,证实了理论预言,被称为首次发现“三维版本的石墨烯”。这为实现相互分离的手性外尔费米子迈出了关键性的一步,而且使拓扑半金属领域的实验研究成为可能,极大推动了拓扑半金属领域的进展。

该理论团队成员翁红明从发表于1965年的一篇实验文献中受到启发,并通过第一性原理计算,初步认定砷化钽(TaAs)晶体等同结构家族材料可能是外尔半金属。这类材料能够合成,并且没有磁性,打破了中心对称,是实验制备、检测都非常便捷的绝佳材料。

经过跟戴希、方忠等合作者进行了数月的周密计算和数学证明后,他们更加确认这一结论。2014年12月31日,他们将此理论预言在arXiv网站率先向全世界公开。该成果立即受到同行的关注,包括中科院物理所、北京大学、普林斯顿大学等在内的国际上众多实验小组都投入到了竞赛般的实验验证工作中。这项理论成果于今年3月17日在《物理评论X》杂志正式发表。

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。信中告知,他们也有类似的工作,并也将当时尚未发表的论文张贴在arXiv网站上。

哈桑给《中国科学报》记者的回信中,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,比中国科学家的结果早很多”。

记者调查后发现,这篇论文在2015年4月30日才被期刊正式接收,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工作发表近3个月之后。翁红明表示:“哈桑小组在这篇文章中使用了我参与开发的计算软件包,并引用了以我为第一作者于2009年发表的一篇文章。”

在一名不愿透露姓名的该领域研究者看来,哈桑的这篇理论预测文章,更像是“凭空冒出”,“甚至没有给出严格的数学证明,仅仅是一个预言。”这名研究者表示,加上两项研究在arXiv网站公布的先后顺序,让人不禁怀疑,哈桑小组的工作是否完全独立。

思考:如何赢得全局

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。

早在今年2月底,三个小组公布发现外尔费米子时,美国加州大学伯克利分校Ashivin Vishwanath教授便在Journal Club for Condensed Matter Physics以“实验观测外尔半金属”为主题,对三家独立实验工作进行评述。

今年7月16日,英国皇家化学协会的Chemistry World在获知美国《科学》杂志接受了两个美国小组的工作后,则作为第三方科学媒体报道了包括我国科学家的工作在内的三家各自的独立发现。

对于在基础科学领域抢占先机,中国科学家也在这件事上有了新的体会。钱天指出,首先,要加快建设我国自己的大科学装置。“我国大科学装置起步较晚,十多年前,还处在购买商业设备开展测量的水平。”他说。

2014年8月,中科院启动“率先行动”计划,具体改革措施之一,便是启动研究所分类改革,其中包括大科学中心。在这项改革的大框架下,于去年10月底建成的上海光源的“梦之线”在发现外尔费米子的实验中立下汗马功劳。目前,“梦之线”的各项技术指标处于世界先进行列。

此外,也有学者指出,应当办好我国自己优秀的学术期刊,如果我国在相关领域也有影响力大的高水平学术期刊,中国科学家的学术成果发表便不再受制于人,虽然科学成果的重要性并不依赖于最终发表的期刊。

(责任编辑:HT002)

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