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张首晟、王康隆争议“天使粒子”研究|文小刚、戴希评论

2017年08月07日 11:36 来源于 财新网
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“天使粒子”实验是发现了80年前意大利理论物理学家马约拉纳预言并以其名字命名的马约拉纳费米子,还是马约拉纳准费米子?它是高能物理概念中的基本粒子,还是凝聚态物理中的准粒子?

  加利福尼亚大学洛杉矶分校教授王康隆评论

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加利福尼亚大学洛杉矶分校教授王康隆。王康隆实验室供图

  张老师前3页的稿子,内容是一般科学知识范畴,我并没有意见。但是在“物以稀为贵:手性马约拉纳费米子的特殊性”后,我要澄清以下事实。

  首先,对于我们这次发表在《科学》杂志的工作,是一个“实验性”工作(非理论性),张教授并没有参与到我们的实验当中去。实际上,我们文章从2016年6月初投稿到《科学》杂志开始,他并不是这篇论文的“通讯作者”。后来大概是到2017年4月底,他才要求成为文章的通讯作者的。这能很清晰地看出来,他的这篇稿子的后半部分并没有反映整个我们文章工作的真实性,他并没有参与到计划、指导、带领整个实验工作。

  我们UCLA团队计划并设计了全部实验流程,包括材料生长、器件制备以及所有的测试表征。首先,我们必须制备出“量子反常霍尔绝缘体”的高质量样品,反复地表现出e2/h的电导量子化现象。这一种样品是花了我们UCLA团队持续13年的材料制备和物性研究积累,方研发而成的。

  实际上,早在2003年,我在UCLA成立了一个研究中心,叫FENA (Functional Engineered Nano Architectonics Focus Center),在2005年后,资助了张教授在“量子自旋霍尔效应”的研究。我当时的这一研究计划和资金分配直接导致了2008年末拓扑绝缘体的诞生。值得一提的是,宾州大学的Charles Kane教授在2004年首次在石墨烯上提出了这一概念。

  其实,在张教授的这一套理论提出之前,早在2008年,Charles Kane教授和Liang Fu (现于麻省理工学院任教授)后来提出利用拓扑绝缘体和超导体耦合来研究马约拉纳费米子[注]。他们这一概念提出以后,很多相关的理论工作陆续提出并在这一基础上改良。实验上,马约拉纳费米子也已经在早年研究了,包括Delft大学的Kowenhaven教授,普林斯顿大学的Yazdani教授,和上海交大的贾金锋教授等等。同时很多相关的工作还在涌现。张老师在2015年期间理论上提出了另一种结构,但也是基于拓扑绝缘体和超导体耦合来研究马约拉纳费米子的,是对Charles Kane教授的理论的一个改良。我们团队也研究了张老师这一理论文章。

  就像其他科研工作一样,我们UCLA团队也需要得到其他团队的帮助和合作,例如,加州大学戴维斯分校的刘凯教授帮我们沉积了超导体薄膜。在测量上,我们首先是去了美国佛罗里达高磁场实验室对马约拉纳费米子样品进行测试的。稍后,为了方便和加快实验进展,我们发现加州大学欧文分校的夏晶教授也有一台同样功能的仪器,于是我们得到夏教授的同意之后,我的学生何庆林和潘磊才前往夏教授实验室进行实验测试的,并得到了他的学生的帮助。

  所以我们这一工作,其实和所有的科研一样,我们首先必须研读并参考国际上广泛的已发表的科技论文,从1937年的Majorana的理论工作,到Kowenhaven教授、Charles Kane教授和Liang Fu教授、Yazdani教授、张首晟教授等等,我们都必须从中学习并理解,进而应用到我们实验当中去。我们UCLA团队花费了很多年来研究和提高拓扑绝缘体的样品质量,最终目的就是为了实现我们这一马约拉纳费米子的工作。一般而言,理论能够在某些情况下帮助实验物理学家,另一方面,实验的结果又能促进理论的发展。所以,科学的发展就像一曲交响乐一样。

  注:Charles Kane教授和Liang Fu论文可参阅https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.096407

  麻省理工学院终身教授、格林讲席教授文小刚评论

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文小刚于2014年末接受《赛先生》专访。摄影:李晓明

  和首晟一样,我一直认为三维的准粒子和三维的基本粒子是没有区别的。我把这一看法概括为信息与物质的统一,或者说物质起源于信息。我认为我们的真空就是由量子信息组成的量子比特海。而我们看到的所谓基本粒子,就是量子比特海中的准粒子。过去十几年,我们做了大量的工作。证明了光波的麦克斯韦尔方程,胶子的杨-米尔斯方程,电子夸克的狄拉克方程,都可以从量子比特海中搞出来,描写其中各种各样不同的波。由此证明了所有基本粒子,都可以看成是量子比特海中的准粒子。这是拓扑序在基本粒子领域中的重大应用。

  我写了很多科普文章传播这一观念。可以参阅的文章包括《来自拓扑序的大统一》《文小刚:光的奥秘和空间的本源|众妙之门》,以及《经典回顾 |【华人之光Ⅰ】文小刚(上):物理学新的革命》

  这三篇文章都讲了三维基本粒子就是三维准粒子这一观念。

  对于这项新的工作,我此前在接受果壳科学人的采访中做了论述:

  之前,人们就已经在有自旋轨道耦合的超导体中发现了以准粒子激发的形式存在的马约拉纳费米子,但当时它被叫做另外一个名字:玻戈留玻夫(Bogoliubov)准粒子。超导体中的准马约拉纳费米子,或玻戈留玻夫准粒子的确和暗物质的一个候选粒子有点像,即自己是自己的反粒子。作为基本粒子的或超导体中的马拉约纳费米子是能在三维跑的。这次的工作发现的是在一维跑的马拉约纳费米子。是很不一样的东西。

  我还可以说明一点:

  正是因为不一样,所以这一次是一个新工作。1993年我在《物理评论快报》(Physics Review Letters)上发表的文章中,预言了这种一维手征马约拉纳费米子可以出现在非阿贝尔量子霍尔态的边界上。这一类拓扑态有半整数电导。而高精度半整数电导1999年已在量子霍尔试验中被Wei Pan观察到[注]。这间接地发现了一维手征马约拉纳费米子。这次新实验,也是通过半整数电导,间接地发现一维手征马约拉纳费米子。但实验的构造,半整数电导的机制和以前完全不同。

  注:Wei Pan的论文Exact Quantization of the Even-Denominator Fractional Quantum Hall State at ν=5/2 Landau Level Filling Factor,Phys. Rev. Lett. 83, 3530 – Published 25 October 1999,DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.3530

责任编辑:于达维 | 版面编辑:邱楠添
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