“幽靈粒子”

2015年12月11日，英國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦的《物理世界》公布了“2015年十大突破”，中國(guó)科學(xué)院物理所研究團(tuán)隊(duì)的“外爾費(fèi)米子研究”入選其中。

外爾費(fèi)米子是科學(xué)家追逐了近一個(gè)世紀(jì)的“幽靈粒子”。如果告訴你，利用這種神秘莫測(cè)的外爾費(fèi)米子，手機(jī)充一次電就能用個(gè)一年半載，你相信嗎？

“幽靈粒子”的發(fā)現(xiàn)之旅

1929年，德國(guó)科學(xué)家赫爾曼·外爾最先提出，微觀世界存在一類性質(zhì)特殊的粒子，這種粒子沒(méi)有質(zhì)量，具有左旋和右旋兩種不同的手性。后來(lái)科學(xué)家稱之為“外爾費(fèi)米子”（費(fèi)米是意大利物理學(xué)家）。由于其特殊的物理性質(zhì)，外爾費(fèi)米子極有可能給集成電路等領(lǐng)域帶來(lái)重大變革。然而經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的研究和探索，到2015年7月之前，科學(xué)家始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子的蹤跡。

在找尋外爾費(fèi)米子的道路上，也發(fā)生過(guò)“誤會(huì)”，神秘莫測(cè)的中微子就曾經(jīng)被誤認(rèn)為是外爾費(fèi)米子。每天，大量從太陽(yáng)輻射出來(lái)的中微子會(huì)抵達(dá)地球。中微子具有很強(qiáng)的穿透能力，可以暢通無(wú)阻地穿過(guò)龐大的星球，將星球內(nèi)部的信息帶給我們，為我們了解宇宙提供途徑。中微子的速度極快，從太陽(yáng)到地球只需要8分鐘，并且不帶電，幾乎不與周圍環(huán)境發(fā)生任何作用。外爾費(fèi)米子在某些特性上與中微子類似，這也是它難以被捕捉到的原因之一。然而此后一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，中微子雖然微小，但仍然具有振蕩現(xiàn)象，而振蕩只有在有質(zhì)量的粒子間才能進(jìn)行，因此它并不符合外爾費(fèi)米子質(zhì)量為零的特征。

盡管外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)之旅并不順利，但科學(xué)家一直沒(méi)有停止過(guò)尋找外爾費(fèi)米子的腳步。

2011年，南京大學(xué)萬(wàn)賢綱教授與幾名國(guó)際研究者合作，通過(guò)理論計(jì)算，預(yù)言一種磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的銥氧化物可能是外爾半金屬，含有外爾費(fèi)米子。同年，中科院物理所的方忠、戴希團(tuán)隊(duì)預(yù)言，鐵磁尖晶石也可能是外爾半金屬。盡管科學(xué)家進(jìn)行了大膽預(yù)言和猜測(cè)，但由于磁性材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，驗(yàn)證工作并不順利。

直到2015年7月16日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了美國(guó)普林斯頓大學(xué)的扎伊德·哈桑團(tuán)隊(duì)在外爾半金屬中發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)成果。4天之后，中科院物理所發(fā)布消息稱，其科研團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了具有左旋和右旋兩種不同手性的外爾費(fèi)米子。短短幾日之內(nèi)，兩個(gè)不同的科學(xué)團(tuán)隊(duì)先后聲稱發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子，在這一重大發(fā)現(xiàn)的背后，是一場(chǎng)激烈的科學(xué)競(jìng)賽。

在這場(chǎng)科學(xué)競(jìng)賽中，中國(guó)科學(xué)家的研究能力和探索精神絲毫不遜色于國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)。要想找到難以捕捉的“幽靈粒子”，首先需要確定它的藏身之地。正是中國(guó)科學(xué)家通過(guò)理論計(jì)算初步確定了TaAs（砷化鉭晶體）等外爾半金屬可能含有外爾費(fèi)米子，為“幽靈粒子”的發(fā)現(xiàn)提供了有效的思路和途徑。

雖然外爾費(fèi)米子像幽靈一樣難以捕捉，而且看起來(lái)似乎離我們的生活很遠(yuǎn)，但是，它的發(fā)現(xiàn)卻可能極大地推進(jìn)未來(lái)技術(shù)的發(fā)展。

自集成電路誕生的那一天起，它的集成度就走上了一條越來(lái)越高、從不回頭的道路。隨著集成度的逐步增高，發(fā)熱和能耗就成了不可避免的難題。

電子并不安分，它沒(méi)有明確的手性，運(yùn)動(dòng)過(guò)程有很多不確定性，這與CPU的高熱和高能耗有密切關(guān)系。如果我們用外爾費(fèi)米子將電子置換掉，由于外爾費(fèi)米子是有特定自旋手性的電子，因此會(huì)規(guī)規(guī)矩矩地前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)低能耗的電子傳輸，解決電子器件小型化和多功能化所面臨的高能耗問(wèn)題。微觀世界的這一次突破性發(fā)現(xiàn)，也可能帶來(lái)電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的革命。

目前電子設(shè)備的充電原理是使電子經(jīng)電線和電路流通進(jìn)入設(shè)備，電子自旋手性雜亂，會(huì)導(dǎo)致能量的流失。如果采用質(zhì)量為0，且具有特定手性的外爾費(fèi)米子，它可以在保證能量幾乎不流失的情況下為移動(dòng)設(shè)備充電，解決電子設(shè)備待機(jī)時(shí)間短、電量消耗快的問(wèn)題。在不久的將來(lái)，手機(jī)或許就能實(shí)現(xiàn)一次充電用一年。盡管這還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走，但外爾費(fèi)米子有可能讓這種期待成為現(xiàn)實(shí)。

在開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)方面，過(guò)去被用來(lái)進(jìn)行量子計(jì)算的光子，其量子態(tài)非常脆弱，電磁干擾或物理干擾可以輕松地導(dǎo)致其量子態(tài)改變，并打亂量子計(jì)算進(jìn)程。外爾費(fèi)米子的出現(xiàn)，或許能為這種局面帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。一方面，含有外爾費(fèi)米子的材料能夠充當(dāng)超導(dǎo)體；另一方面，外爾半金屬等材料能夠保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的量子態(tài)，不受或很少受到外部世界的干擾，有望助力于打造一臺(tái)低功耗、高容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。