我國發(fā)現(xiàn)幽靈粒子 該成果可讓手機電池一年充一次

我國發(fā)現(xiàn)幽靈粒子 德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家赫爾曼·外爾最先提出了外爾費米子

中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“幽靈粒子”，這在國際上引起了關(guān)注。我國發(fā)現(xiàn)幽靈粒子—外爾費米子（Weyl費米子），這項成果可以解決手機待機時間短的問題，比如，可以實現(xiàn)手機電池一年充一次電。據(jù)悉我國發(fā)現(xiàn)幽靈粒子過程并不是一帆風(fēng)順，其中也有他國科學(xué)團隊的競爭，但在國際同行眼中，中國科學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn)，從材料理論預(yù)言到實驗觀測都是獨立完成。

科學(xué)家把基本粒子分為玻色子和費米子兩大類，費米子是組成物質(zhì)的基本粒子。外爾費米子被稱為預(yù)言中的奇特粒子，是當(dāng)今凝聚態(tài)物理最前沿的研究對象之一。如今，被中國學(xué)家證實了。

7月20日，中國科學(xué)院物理研究所發(fā)布消息：他們發(fā)現(xiàn)了具有“手性”的電子態(tài)——外爾費米子。這是國際上物理學(xué)研究的一項重要科學(xué)突破，對“拓?fù)潆娮訉W(xué)”和“量子計算機”等顛覆性技術(shù)的突破具有非常重要的意義。物理所表示，中國科學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn)，從材料理論預(yù)言到實驗觀測都是獨立完成。

1929年，德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家赫爾曼·外爾（H. Weyl）最先提出了這種無質(zhì)量（即線性色散）的粒子——外爾費米子——無質(zhì)量電子可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”。但是86年來實驗從未觀測到。

為了能夠找到它，全世界的科學(xué)家爭相創(chuàng)造可能存在外爾費米子的人工環(huán)境。

中科院物理所戴希研究員在博客上表示，他的同事翁紅明等人年初找到了鉭砷晶體（TaAs）等四種非磁性的外爾半金屬材料，是取得進(jìn)展的關(guān)鍵。翁紅明在接受采訪時說：“你可以將外爾費米子想象成一個極小的、只有一個磁極的磁棒。”

翁紅明說，在自然界中，無論你將磁鐵切割成多小，它始終都帶有南北兩個磁極，磁場在磁極之間流動。作為僅有一個磁極且沒有質(zhì)量的粒子，外爾費米子能夠完成諸多當(dāng)前科技不可企及的任務(wù)。

翁紅明告訴科技日報記者：“TaAs材料在1960年代就有研究文章，但沒有人意識到上面有外爾費米子。我們這一發(fā)現(xiàn)的難度在于，從那么多材料中找到合適的，猶如大海撈針，必須對外爾費米子和材料物理性質(zhì)都有相當(dāng)認(rèn)識才行。”

2012年和2013年，中科院物理所的理論研究團隊首次預(yù)言在狄拉克半金屬中可實現(xiàn)無“質(zhì)量”的電子。

翁紅明的發(fā)現(xiàn)2014年12月31日提交電子預(yù)印本（Arxiv）網(wǎng)站后，這一結(jié)果立刻引起了實驗物理學(xué)家的重視，國際上許多研究組開始了競賽般的實驗驗證工作。中科院物理所，北京大學(xué)，美國普林斯頓大學(xué)等團隊都試圖在TaAs中找到外爾費米子。

這是一場激烈競爭。普林斯頓大學(xué)團隊和中科院物理所團隊幾乎同時宣布成功。中科院物理所的最新成果將發(fā)表在最近一期《自然·物理》雜志上。

英國皇家化學(xué)協(xié)會網(wǎng)站7月16日報道說：“有兩個國際研究組聲稱發(fā)現(xiàn)了電子學(xué)的基本建筑單元——外爾費米子。”

中科院物理所的陳根富小組首先制備出了具有原子級平整表面的大塊TaAs晶體，而外爾費米子就藏身于這種晶體中。隨后物理所丁洪小組利用上海光源“夢之線”的同步輻射光束照射TaAs晶體，使得外爾費米子80多年后第一次展現(xiàn)在科學(xué)家面前。

外爾費米子的發(fā)現(xiàn)將極大地推進(jìn)未來技術(shù)的發(fā)展，據(jù)介紹，具有“手性”的外爾費米子的半金屬能實現(xiàn)低能耗的電子傳輸，有望解決當(dāng)前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題。同時外爾費米子也受到對稱性的保護(hù)，可以用來實現(xiàn)高容錯的拓?fù)淞孔佑嬎?，制造比現(xiàn)在的超級計算機運行速度更快的量子計算機。

當(dāng)前的電子設(shè)備充電套路是電子流通過電線和電路進(jìn)入設(shè)備。這些粒子不僅笨重、不易控制，還會導(dǎo)致能量流失。如果我們用外爾費米子將之置換掉，一個費米子裝置就能夠保證電流幾乎不流失，并且能保證在幾乎不損耗能源的情況下完成高功率計算。

含有外爾費米子的材料能夠充當(dāng)超導(dǎo)體，因而也可應(yīng)用到量子物理學(xué)領(lǐng)域。這種材料能夠保持長時間的量子態(tài)，而不受或很少受到外部世界的影響，這使它成為打造一臺實用、高容錯量子計算機的熱門材料。

制造這樣一臺設(shè)備所面臨的最大挑戰(zhàn)就是過去曾被用來進(jìn)行量子計算的光子等粒子的量子態(tài)所具有的脆弱性。電磁干擾或物理干擾可以輕松地導(dǎo)致粒子失去或改變量子態(tài)，并打亂它們本應(yīng)進(jìn)行的計算。

翁紅明說：“不幸的是，外爾費米子這樣精美的粒子并不存在于我們的三維世界里。只能在另一個與我們這個世界‘相反’的世界里尋到它的芳蹤。”

“不是通過大型粒子加速器，而是簡單地在晶體里發(fā)現(xiàn)了新的粒子現(xiàn)象。這或許對其他實驗有啟發(fā)：凝聚態(tài)物理里，通過一些低能激發(fā)，可能產(chǎn)生高能物理范圍的粒子行為。”翁紅明說，下一步他們將試著尋找“拓?fù)涑瑢?dǎo)”等新物理現(xiàn)象。