@ 2015.07.28 , 10:40

科学家发现无质量粒子,或可变革电子学

经过85年的苦苦找寻,科学家们终于首次证实了一种被称为“Weyl费米子”的无质量粒子的存在。在晶体内同时具备物质性和反物质性,这种独特能力使得该粒子可以创造出无质量的电子。

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这个发现意义巨大,不仅仅是由于我们最终得以验证该物质的存在,更是因为它为更高效的电子行业和新型的量子计算铺平了前路。“Weyl费米子可以用来解决电子器件中的电子阻塞问题——它们可以比电子更高效、更有序地运动,这也许可以带来新型电子学。”普林斯顿大学的物理学家及主要研究人员M. Zahid Hasan说。

那么,Weyl费米子究竟是什么呢?尽管高中课堂告诉我们,宇宙是由原子构成的。但从粒子物理的角度看,一切都是由费米子和玻色子构成的。简单说来,费米子是构成所有物质的基本结构单元,如电子;而玻色子则是一切承载力的东西,如光子。

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电子是现今电子学的脊柱。尽管它们可以很好地运送电荷,但仍旧有可能相互碰撞而分散,导致能量的流失和热量的产生。在1929年,一个德国物理学家Hermann Weyl建立理论,认为一种无质量的费米子必定存在,它们可以比常规电子更高效地传输电荷。现如今,普林斯顿大学的研究人员证实了它们的确存在。测试发现,在普通的半导体中,Weyl费米子传输电荷的速度至少比电子快1000倍;而在石墨烯中,则是电子速度的两倍。

Weyl费米子之所以如此高效,是因为该粒子同时具有左手方向和右手方向的自旋,这使得所有的费米子得以以相同的方向运动,同时可以穿过那些会分散普通电子的障碍物。它们好像自带GPS,自己掌舵以免分散;它们只会不断地朝同一个方向运动永不停歇,好比单向的光束。它可以应用到量子计算中。

最酷的一点是,研究人员是在实验室内的合成晶体中发现的Weyl费米子。不像大多数其他的粒子发现(如著名的希格斯玻色子),只能在粒子碰撞中被观察到。这意味着该研究很容易再复制,而科学家们也可以立即着手研究如何应用它们。

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Weyl费米子是在特制的一种被称作钽砷化物的半金属晶体中发现的,后者曾被中国的研究人员宣告为Weyl费米子潜在的“家”。当他们在实验室中发现了蛛丝马迹之时,便将晶体带至加州的劳伦斯伯克莱国家实验室内,将高能的玻色子束射穿其中,从而证明了Weyl费米子必定存在于该晶体内。

Weyl费米子是准粒子,即它只能够存在于如晶体这样的固体中,而非独立粒子。而接下来的深入研究会试图寻找它究竟能如何为我们所用。Weyl费米子太奇特了,我们也许会发现许多超乎我们想象的东西。

本文译自 sciencealert,由译者 蛋花 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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