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“幽灵粒子”外尔费米子

作者:admin 发表于:2016-09-10   点击: 评论: 0

  2015年12月11日,英国物理学会主办的《物理世界》公布了“2015年十大突破”,中国科学院物理所研究团队的“外尔费米子研究”入选其中。外尔费米子是科学家追逐了近一个世纪的“幽灵粒子”。如果告诉你,利用这种神秘莫测的外尔费米子,手机充一次电就能用个一年半载,你相信吗?

  1929年,德国科学家赫尔曼·外尔最先提出,微观世界存在一类性质特殊的粒子,这种粒子没有质量,具有左旋和右旋两种不同的属性。后来科学家称之为“外尔费米子”(费米是意大利物理学家)。由于其特殊的物理性质,外尔费米子极有可能给集成电路等领域带来重大变革。然而经过近一个世纪的研究和探索,到2015年7月之前,科学家始终没有发现外尔费米子的踪迹。

  在找寻外尔费米子的道路上,也发生过“误会”,神秘莫测的中微子就曾经被误认为是外尔费米子。每天,大量从太阳辐射出来的中微子会抵达地球。中微子具有很强的穿透能力,可以畅通无阻地穿过庞大的星球,将星球内部的信息带给我们,为我们了解宇宙提供途径。中微子的速度极快,从太阳到地球只需要8分钟,并且不带电,几乎不与周围环境发生任何作用。外尔费米子在某些特性上与中微子类似,这也是它难以被捕捉到的原因之一。然而此后一系列的科学实验证明,中微子虽然微小,但仍然具有振荡现象,而振荡只有在有质量的粒子间才能进行,因此它并不符合外尔费米子质量为0的特征。

  尽管外尔费米子的发现之旅并不顺利,但科学家们一直没有停止过寻找外尔费米子的脚步。

  2011年,南京大学万贤纲教授与几名国际研究者合作,通过理论计算,预言一种磁结构复杂的铱氧化物可能是外尔半金属,含有外尔费米子。同年,中科院物理所的方忠、戴希团队预言,铁磁尖晶石也可能是外尔半金属。尽管科学家进行了大胆预言和猜测,但由于磁性材料结构复杂,验证工作并不顺利。

  直到2015年7月16日,《科学》杂志在线发表了美国普林斯顿大学的扎伊德·哈桑团队在外尔半金属中发现了外尔费米子的实验成果。4天之后,中科院物理所发布消息称,其科研团队首次发现了具有左旋和右旋两种不同属性的外尔费米子。短短几日之内,两个不同的科学团队先后声称发现了外尔费米子,在这一重大发现的背后,是一场激烈的科学竞赛。在这场科学竞赛中,中国科学家的研究能力和探索精神丝毫不逊色于国外的研究团队。要想找到难以捕捉的“幽灵粒子”,首先需要确定它的藏身之地。正是中国科学家通过理论计算初步确定了TaAs(砷化钽晶体)等外尔半金属可能含有外尔费米子,为“幽灵粒子”的发现提供了有效的思路和途径。

  虽然外尔费米子像幽灵一样难以捕捉,而且看起来似乎离我们的生活很远,但是,它的发现却可能极大地推进未来技术的发展。

  自集成电路诞生的那一天起,它的集成度就走上了一条越来越高、从不回头的道路。随着集成度的逐步增高,发热和能耗就成了不可避免的难题。

  电子并不安分,它没有明确的属性,运动过程有很多不确定性,这与CPU的高热和高能耗有密切关系。如果我们用外尔费米子将电子置换掉,由于外尔费米子是有特定自旋属性的电子,因此会规规矩矩地前进,实现低能耗的电子传输,解决电子器件小型化和多功能化所面临的高能耗问题。微观世界的这一次突破性发现,也可能带来电子设备和计算机领域的革命。

  目前电子设备的充电原理是使电子经电线和电路流通进入设备,电子自旋属性杂乱,会导致能量的流失。如果采用质量为0,且具有特定属性的外尔费米子,它可以在保证能量几乎不流失的情况下为移动设备充电,解决电子设备待机时间短、电量消耗快的问题。在不久的将来,手机或许就能实现充一次电使用一年的情况。尽管这还有相当长的一段路要走,但外尔费米子有可能让这种期待成为现实。

  在开发量子计算机方面,过去被用来进行量子计算的光子,其量子态非常脆弱,电磁干扰或物理干扰可以轻松地导致其量子态改变,并打乱量子计算进程。外尔费米子的出现,或许能为这种局面带来转机。一方面,含有外尔费米子的材料能够充当超导体;另一方面,外尔半金属等材料能够保持长时间稳定的量子态,不受或很少受到外部世界的干扰,有望助力于打造一台低功耗、高容错的量子计算机。

  编辑/王君梅

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