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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?

  中国科学院物理研究所研究员戴希评论

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中国科学院物理研究所研究员戴希。本人供图。

  我很赞同首晟的观点,的确基本粒子和准粒子的概念并非绝对的,在一种物质层次下的基本粒子,可以是更微观层次上的准粒子,两者之间存在非常深刻的相似性。这里我想补充一点,其实基本粒子和准粒子的不同,还涉及到自然科学研究中的两种基本思想方法,即还原论和演生论。他们之间并非矛盾和对立的关系,而是看问题视角的不同。还原论的思想方法是把对这一层次的物质运动、演化规律研究分解到下一层次,例如要搞清楚大块物质的物理性质,就要研究组成它的原子、分子,同样要解释原子、分子的特殊性质,就要研究组成它们的电子和原子核,以此类推。还原论认为只要搞清楚了单个基本粒子的运动规律,原则上可以耦合大量类似粒子的运动方程,通过数值计算来预测宏观体系的运动规律。还原论的思想很容易被大众接受,在人类认识自然的进程中曾发挥过重大作用。然而,随着凝聚态物理研究的深入,从上世纪70年代起,人们逐渐认识到,仅仅依靠还原论并不能真正解决由足够大量的“基本粒子”所组成的宏观物质,1972年著名的凝聚态理论物理学家P.W. Anderson在一篇文章中提出“More is different”, 于渌先生把它翻译成“多者异也”,指的就是这个问题。

  与还原论相对应的另一种思想方法就是演生论。在演生论中,研究的是大量类似微观客体如何通过微观相互作用,演生出完全不同于微观客体运动规律的,更高物质层次的运动规律。也就是说,演生论强调物质的运动规律是分层次的,在每个层次上都有其独特的物理规律,仅仅搞清楚微观层次的物理规律,对我们理解宏观层次的物理现象还远远不够。

  这次实验中发现的一维手征马约拉纳费米子,就是这样一种由相互作用下的电子,在特殊晶格结构下,演生出来的准粒子,其满足的运动方程和统计规律,跟当年马约拉纳假设存在的那种集正/反粒子态于一身的基本粒子,是完全一样的。它们之间的不同之处,正如首晟在文中指出的一样,主要在于能量、长度和时间尺度。

  事实上,在极其丰富的凝聚态材料中,如果仅仅找到满足类似某种基本粒子运动方程的准粒子,其科学意义是有限的,更重要的是这些新型准粒子所带来的奇异物理现象,例如外尔费米子和狄拉克费米子态带来的表面费米弧、手性反常和手性磁效应;一维手性边缘电子态导致的整数量子霍尔效应等。这次发现的一维手性马约拉纳费米子,则进一步导致半整数的量子霍尔效应平台,确是一个大的突破。这次实验的重要意义还在于给拓扑量子计算提供了一个全新的材料平台,在其上有可能开展各种拓扑量子计算领域期待已久的实验工作,非常值得期待。

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责任编辑:于达维 | 版面编辑:邱楠添
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