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复旦大学校友张首晟团队预言的“天使粒子”被发现

发布时间:2017-07-23

 张首晟

7月21日凌晨,美国加州大学洛杉矶分校华裔科学家王康隆、斯坦福大学华裔科学家张首晟、上海科技大学教授寇煦丰等团队合作在《科学》杂志上发表了一项重大发现:在整个物理学界历经80年的探索之后,他们终于发现了手性马约拉纳费米子的存在。

这一题为《量子反常霍尔绝缘体—超导体结构中的手性马约拉纳费米子模式》的论文宣称,成果验证了由意大利理论物理学家马约拉纳80年前提出的预测——存在一类没有反粒子的粒子,同时也证明了存在一种比量子还小的单位,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

这一发现,验证了由意大利理论物理学家马约拉纳在80年前提出的预测——存在一类没有反粒子的粒子。同时也证明了存在一种比量子还小的单位,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

2016年12月17日,复旦大学校友张首晟回到母校,在第二届“复旦科技创新论坛”上作报告。当时,他这样开场:“今天我非常有幸回到复旦大学。刚才大家听了介绍,我也是改革开放之后第一届的学生。1978年的时候,我入学来到复旦。当年我才15岁,还没有读过高中,就来到了复旦大学,所以今天看到年轻的同学们,也是感到非常亲切。我今天给大家作一个学术报告,是讲电子的高速公路。”

课题实验的灵感来自张首晟团队的预言

1928年,英国理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)提出了著名的狄拉克方程式,即宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。这一预言在1932年被美国物理学家安德森在研究宇宙射线时证明。从此以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。

▲ 狄拉克和刻在他墓碑上的方程

但是,1937年马约拉纳提出了猜测:会不会有一类没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子。这个粒子被后来的物理学界称之为马约拉纳费米子。自那时起,许多科学家一直在寻找这样的粒子。

▲马约拉纳

在物理学里,存在两大分支:粒子物理和凝聚态物理。

据张首晟介绍,在粒子物理中,标准模型范畴外的中微子被认为最可能是马约拉纳费米子,而且这一猜测有可能被“无中微子的beta双衰变”实验所验证。但这项实验所要求的精度在今后的10年到20年以内都难以达到。

而在凝聚态物理中,马约拉纳费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。

2010年到2015年期间,张首晟与其团队连续发表三篇论文,精准预言了在哪里能够找到马约拉纳费米子,继而指出哪些实验信号能够作为可靠的证据。

▲ 张首晟团队搜寻手性马约拉纳费米子的实验平台

根据这一理论预言,来自加州大学洛杉矶分校、上海科技大学、加州大学欧文分校、加州大学戴维斯分校的团队与张首晟的团队紧密合作,最终在所提出的器件中实验上发现了手性马约拉纳费米子。

▲ 发现手性马约拉纳费米子

他们在通常的整数量子平台之外,探测到了张首晟团队预言的半整数量子平台。随后的强磁场实验与三端电阻测量进而有力的排除了其他可能的实验噪声与假象。

基础物理与应用的“双突破”

张首晟将发现的手性马约拉纳费米子称为“天使粒子”,这一灵感来自于小说《天使与魔鬼》。在Dan Brown的这部小说中,正反粒子的碰撞会将所有质量以能量的形式释放出,从而湮灭整个世界。

而天使粒子的发现,就好像发现了一个完美的世界,这里只有天使,没有魔鬼。

张首晟表示,天使粒子最重要的意义是改变了基础物理,因为它改变了人们一直认知的正反对立的世界观。

对于每一位物理学家来说,基础物理的研究都是一段极为漫长的过程。一个重大的发现往往需要50年甚至100年的时间,有发现已经是幸运的。也有很多人,可能倾注毕生,最终也没有所获。

▲ 1927年第五次索尔维(Solvay)会议参与者
(摄于比利时索尔维国际物理研究所)

任何科学的发现,都是站在巨人的肩膀上。张首晟表示,天使粒子的发现,也是建立在量子反常霍尔效应以及拓扑绝缘体的基础上。

不仅如此,不同于其他基本科学从发现到技术应用往往需要多年时间,天使粒子已经可以看到其实际应用的前景。

量子世界本质上是并行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算,远比经典计算机有效。

然而,一个量子比特的信息非常难以存储,微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。但马约拉纳费米子没有反粒子,或者说相当于半个传统粒子,便提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的马约拉纳费米子上。

如此一来,传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个马约拉纳费米子,进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统的存储方式,比如电子自旋,超导磁通和光子极化,这样存储在远离的两个马约拉纳费米子上的拓扑量子比特,本质上极其稳固。

也就是说,马约拉纳费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机,使得有效的量子计算成为可能。

张首晟表示,原先大家已经认为量子是最小的单位,而天使粒子使得一个量子单位可以拆为两半,让量子变得更稳定。

现在,这项科学已经可以开始应用。“谷歌和微软已经提供了支持,未来,在国内也会开始进行应用。”张首晟说。

(本文摘编自“文汇”APP,作者:姜澎,原标题《科学家首次发现一维尺度“天使粒子”,颠覆正反对立的世界观》;“凤凰科技”微信公众号,作者:白杨,原标题:《张首晟团队发现“天使粒子”,杨振宁称其获诺奖是时间问题 | 凤凰科技独家对话》。有删改。)

 

 

从阁楼的孤独到科学的辉煌

2005年,正值复旦大学百年校庆前夕,一位有心人向复旦校史馆捐赠了一份毕业文凭。文凭主人叫张彝,是当时复旦公学的第二届学生。这份签发于1909年的毕业证书是我国目前存世的最早大学毕业文凭。这位有心人叫张首晟,张彝是他的祖父,在祖父毕业近70年后的一个秋天,他也踏进了复旦园,成为张家的第二个复旦人。不久后,张首晟远涉重洋深造,在科研领域穷幽探微多年,如今凭借高质量的科研成果以及多项物理学重量级奖项,成为跻身大洋彼岸物理学界顶级俱乐部的华裔科学家。

从复旦出发

1978年9月,复旦大学物理系迎来了一个没有高中文凭的少年大学生。“初中时,在很封闭的情况下,我们都知道杨振宁、李政道获得诺贝尔奖,为中华民族争了一口气。大学时选择理论物理专业,就是冲着他们的榜样力量。”张首晟如是说。走进物理系,距离偶像又近了一步,不过当年的他或许没有想到,自己和偶像的缘分远不止如此。

复旦的时光是快乐的,对于阁楼上的少年来说尤其如此:“在初中的时候,由于喜欢读书,周围的人都不以为然,我一直感觉很孤单。来到复旦之后,大家都如饥似渴地读书,有了很多的好朋友。”张首晟说。那年,张首晟住在11号楼303室,一个寝室8个人,他的年纪最小。平日里看得最多的就是争分夺秒地读书,偶尔的课余生活也成忙碌的学生生活的美好点缀。班上有海外关系的同学陈捷弄到了进口彩色胶卷,这在当年是金贵无比的稀罕玩意,但他还是毫不吝啬地把它拿到学校和同学共享。这些彩色胶卷,留下了许多张首晟在复旦园里珍贵的青春影像,他和陈捷也结成了莫逆之交,每逢对方赴美,一定住他家里。

大学第一个学期就这样愉快而匆匆地过去了。第二学期开始,一日,张首晟正在宿舍里自习,班主任突然上门,告知他将被选派前往德国柏林大学深造。张首晟高考成绩优异,在当时已被列入留德学生的内定人选。

对张首晟来说,这个消息可谓天降喜讯。他对德国最初的印象,来自儿时啃过的那些哲学书籍,隐隐约约知道它是康德、黑格尔的祖国。“学了物理以后,发现教科书上重要的物理公式很多都是德国物理学家的贡献,去德国留学对我来说像做梦一样。”张首晟说。当年公派到德国的学生一律要在同济大学接受为期一年的德语培训。1980年,没有来得及拿到复旦文凭的张首晟,正式踏上了赴德之旅。

镌刻着物理公式的墓碑

张首晟到达西柏林时,戒备森严的柏林墙还高高耸立着。他所在的柏林自由大学是一部分老柏林大学出走的师生所创,与东柏林的老柏林大学(后称洪堡大学)遥相对应。这所位于冷战前哨的大学甫一成立,便以“真实,公平,自由”为校训,更把“自由”二字嵌入校名。在这样一所以自由著称的学校里就读,对于张首晟而言可谓如鱼得水。外面的世界很精彩,但他没有忘记自己的本分。柏林大学的学制为五年,不少人甚至花了七年才能毕业,但凭借着出色的学习能力和勤奋,年轻的张首晟花了三年时间就完成了学业。学习之余,他还花了不少时间深入了解德国乃至欧洲的人文历史。

尽管学业顺利,但理论物理的前途较窄,一度让他对自己的未来感到迷惘。“本来我还挺有信心的,但同学之间的担忧对我产生了影响,1981年左右,我开始想到前途问题。”张首晟说。就在当年暑假,他踏上了德国颇为流行的搭便车之旅,借着免费的顺风车环绕了德国一周,这场如骑士一般的浪漫旅行对张首晟的人生选择产生了重要影响。

一天,张首晟来到哥根廷大学附近的一片墓地。很多德国著名物理学家长眠于此,每个人的墓碑上,墓志铭都镌刻着其生前发现的一道重要公式。如Heisenberg的墓志铭是Heisenberg测不准原理的公式,Max Born是其对波函数概率的一个分析,Otto Hahn的墓碑上是一道核反应公式,张首晟被深深地震撼了:“一个朴素的墓碑,一个简单而普适的公式,这才是人生最高境界。从此之后,我决定要把自己毕生的精力贡献给物理学研究,特别是理论物理学的研究。”成为一名科学家的神圣感和人生意义此刻内化为一种使命,一种激励自己贡献终生的精神源头。

物理公式是美丽的诗句

在德国攻读学位期间,张首晟开始思索自己的学术方向。当时,在他看来,物理学的最高目标是将爱因斯坦揭示的宇宙四大力统一起来,杨振宁先生在这方面颇有建树,而他又是自己儿时的偶像,前往美国追随杨振宁先生从事统一场研究便成为他念兹在兹的目标。

从柏林自由大学毕业后,张首晟被美国纽约州立大学石溪分校录取,如愿以偿成为了杨振宁先生的弟子。一入门,他就迫不及待地向老师阐述他的学术构想。出乎意料的是,杨振宁先生并不支持他从事统一场论或基本粒子物理研究,而是向他推荐了凝聚态物理。这时凝聚态物理还是一个方兴未艾的研究领域,杨振宁先生本人的研究方向也并不在此,老师的建议让张首晟大惑不解。多年以后,张首晟才明白了杨振宁先生当初的良苦用心:“一般来说老师总是希望学生能够发展自己的研究领域,杨振宁先生却建议我从事其他领域的研究,他真的很无私。今天看来,凝聚态物理在物理学领域中发展得最快,这体现了他三十年前精准的眼光。”

而更让张首晟得益匪浅的是,这位有着诗人气质的科学家,带领着他领略到了不一般的科研境界:“他告诉我,诗歌追求的境界是用两句话将复杂的感情说清楚,科学也是追求用一个简单的公式去描写大自然的所有万千现象。艺术和科学是相通的,‘F=ma’、‘E=MC2’就是描写大自然的最美丽的诗句。”

导师的话,激活了张首晟对于艺术的启蒙记忆。“为美所驱追求科学,真是一种最高的境界,杨振宁先生带领我进入的境界,在书本上是学不到的。”张首晟感慨。在物理系系庆报告会上,张首晟展望物理学发展的未来,觉得随着学科越来越专业化,隔行如隔山,而如要真正做出创新,科学家还需更高的视野。他举例说,牛顿发现万有引力,说明了三大力学定理,但当时理论物理根本没有这个名词,他那本奠定物理学基础的书叫Mathematical Principles of Natural Philosophy,这是历史上最成功的用数学语言来描写大自然,体现着无与伦比的的美。“因为在最高的境界上,科学跟艺术,科学跟美,主观、客观是统一在一起的。”在这一点上,张首晟颇得导师的精神。师傅领进门,修行在个人,从基本粒子物理突然转向凝聚态物理并非一件轻而易举之事,好学而刻苦的张首晟做成了。

斯坦福最年轻的终身教授

1993年,张首晟进入斯坦福大学任教,不久后便头角峥嵘,成为该校最年轻的终身教授之一。2010年凭借“量子自旋霍尔效应”理论预言和在实验观测领域的开创性贡献,荣获欧洲物理奖,这是该奖项首次花落华裔科学家;2011年,因在物理学领域做出的卓越成就,荣膺美国艺术与科学院院士。2012年他先后获得凝聚态物理领域的最高荣誉Oliver Buckle奖和国际理论物理学领域最高奖“狄拉克奖”(Dirac Medal)。

近年来俘获大批中国粉丝的美剧《生活大爆炸》里,主角物理学家们的口中常常蹦出“拓扑绝缘体”的新名词,就引用了张首晟科研组的研究成果,对于非物理专业人而言,从这个侧面去了解他的科研影响力或许更为直观。

不但在科研领域,张首晟在教学方面亦成绩斐然。二十多年来,他培养的学生已遍布美国各大名校,其中不乏来自中国的面孔,毕业于母校复旦大学的刘勤是张首晟门下唯一一名女生。让张首晟印象深刻的是一位在国内培养的“土博士”祁晓亮,他在斯坦福大学跟随张首晟做了一年的博士后研究以后,意外收到美国多所名校向他递出的橄榄枝,最后顺利留美成为一名“洋教授”。

在张首晟日益精进的同时,中国也在发生着一日千里的变化。恢复公派留学生制度三十年后,国家正式实施“千人计划”,面向海外延揽顶尖科研人才回国发展。许多当年从中国漂洋过海的优秀人才,在他乡开花结果以后,开始回流反哺故土。张首晟成为其中一员。现在,除了继续担任斯坦福教职以外,他还是清华大学高等研究院的一名教授,每年会在国内长待一段时间,从事科研并指导学生。他也常常回到母校复旦大学,在报告会上他说:“我希望我在有生之年,能够用自己的努力,使中国能够真正建成如世界第一流的像斯坦福这样的学校。”

阁楼上的孤独小孩、少年大学生、没有文凭的复旦人、杨振宁的得意门生、最年轻的斯坦福终身教授、国家“千人计划”入选者……,最让他骄傲的身份,或许只是简简单单三个字——科学家。

(本文节选自“复旦大学”微信公众号,复旦大学校友会供稿,原标题:《美国国家科学院院士张首晟:从阁楼的孤独到科学的辉煌》,有删改。)

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