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杨振宁弟子张首晟:发现“天使粒子” 证明2=0

时间:2017-08-02 10:04:00 来源:大洋网-广州日报 评论:0 点击:0

  张首晟在斯坦福大学的中国同事,已经备了一瓶珍藏了半个世纪的茅台酒,随时准备为他获诺奖时举杯相庆。早在5年前,杨振宁就说,张首晟获得诺贝尔奖只是时间问题。

  7月20日,张首晟和团队在《科学》杂志上发表论文,证实首次发现手性马拉约纳(Majorana)费米子,并命名为“天使粒子”,结束了物理学界整整80年的苦苦追寻。

  这一发现震惊了物理学界,张首晟再次被推上了诺奖备选名单。此前,他已经获得了除诺奖外几乎所有的物理学科顶级奖项。

  作为美国人文和科学院院士、美国艺术与科学院院士、中科院外籍院士和“千人计划”专家,张首晟在接受广州日报记者的采访中表示,获诺奖的普遍期待并未对他产生压力,他更关心的是,青年科学家应该保持对自然之美的好奇,以及探索的原动力。

  文/广州日报全媒体记者杨逸男 实习生宋昕航

  “科学发现有时是阶段性的。可能很长一段时间你都成就平平,但突然就会有个大的跳跃,接着就是一个更大的跳跃。”长期走在理论物理学研究前沿的张首晟,把科研看得很透彻,“天使粒子”的发现,对他意味着一个里程碑式的跳跃。

  发现神秘粒子

  要了解这次发现的重大意义不难,张首晟善于用最简单的语言来解释科学。

  自然界的物质都由基本粒子组成,分为玻色子和费米子。有的粒子挤在一起也不会擦枪走火,被称为玻色子。而不爱扎堆、各走各路的则是费米子,如支持手机和电脑运作的电子。

  1928年,物理学家狄拉克提出宇宙中每个基本粒子都有反粒子。1937年,意大利物理学家马拉约纳进一步地进行理论预测,在费米子中可能存在一种粒子,是自己的反粒子。从此,马拉约纳费米子与磁单极、暗物质、引力子等进入神秘粒子表单,令几代科学家孜孜以求。而“正反同体”粒子的预言,伴随着马拉约纳的突然消失更加神秘。

  有趣的是,张首晟有次梦见了马拉约纳。“因为天机泄露,他被天使带走了。”张首晟会心一笑。

  在物理学历史上,诺奖的桂冠多次落在粒子物理研究的重大突破上,中子、正电子、J粒子(丁肇中)、中微子等的发现者均获得了诺奖。

  2010年至2015年,张首晟的理论物理学团队连续发表了三篇论文,预言了怎样找到马拉约纳费米子以及哪些实验信号能够作为证据。以王康隆、何庆林等为首的华人实验团队在随后的一年里反复验证了近30次后,整个团队向《科学》杂志提交了论文初稿,而后又经历了长达一年的审稿期。

  最终发表的论文标题为“在量子反常霍尔绝缘-超导结构中发现手性马拉约纳费米子模式”,即张首晟命名的“天使粒子”。最关键的就是张首晟提出的材料和验证方式。

  为科学之美奉献一生

  张首晟1963年出生于上海,从15岁起就开始了物理学的漫漫征程。

  1978年,初中还没读完的张首晟在父亲的鼓励下,花了一个暑假看完了17册的《数理化自学丛书》,然后直接参加大学入学考试。不鸣则已一鸣惊人,他考上了复旦大学物理系,一年后他赶上了国家公派留学机会,进入柏林自由大学,1983年获学士学位后,张首晟赴美国纽约州立大学石溪分校,拜杨振宁为师,年仅33岁,他就成了斯坦福大学的终身教授。

  这位旁人眼中的天才说,他的成功是由“激情”“原动力”铺垫而成的。

  在德国留学期间,理论物理学“不好找工作”的前景让不少年轻的学生们发愁,很多人最后改变了研究方向。那段留学岁月,张首晟来到一片科学家的公墓。墓碑上除了生卒年月,都记载了一个物理学公式,这让张首晟深为感动。感慨于爱因斯坦发现E=MC2(质能守恒定律)的大道至简,他决定为科学之美奉献一生。

  烤肉获得的灵感

  研究之初,张首晟也遭遇过研究方向走弯路、申请研究经费被拒、耕耘成果不被接受的常态。“大半生都是不确定的,有时孤独甚至绝望。”直到2006年,他在理论上预言了拓扑绝缘体,研究成果才为学界广泛关注。

  这正是美剧《生活大爆炸》中谢尔顿博士炫耀的前沿研究。而张首晟发现拓扑绝缘体的灵感过程却是在一次聚会烤肉中得来的。

  “吱吱的声音炸响,烤肉的最高境界是外熟里生。 我一下子想到,有种材料是里面绝缘,外面导电的。”长期观察生活和自然的习惯为他带来了“阿基米德时刻”。

  此前,人们认为物质只有导体和绝缘体之分,拓扑绝缘体成了第三类物质,张首晟的预言,一年后即被实验证实。

  顺着拓扑绝缘体的深入研究,张首晟又发现了量子自旋霍尔效应:芯片中杂乱无序运动的电子可以在一定条件下实现规则运动,就像在高速公路上各行其道,从而使能量耗散很低。最常见的实际应用,就是解决手机和电脑的发热问题。

  不久,他又和中国国内研究团队在锡烯研究上取得了重大突破,这或可取代电子元件常用的晶硅和石墨烯。张首晟笑着说,“以后硅谷可能就要改名为锡谷了。”

  他也因此获得了物理学界三大最高奖项——2010年的欧洲物理学奖、2012年的巴莱克奖和狄拉克奖。

  “天使粒子”的发现,就建立在张首晟之前的这些重要研究上。它由张首晟提出并由实验组验证,存在于磁性拓扑绝缘体薄膜(量子反常霍尔效应薄膜)与超导体组成的混合系统中。这一发现的最大应用,就是“前途无量”的量子计算机。

  赤子丹心

  对于“天使粒子”的发现,张首晟说:“要感谢祖国现在的强大。四个实验室有三个是大陆背景。我们经常有交流的机会,所以促成了这次合作的可能。”

  张首晟很重视华人青年科学家的交流。1999年,受杨振宁邀约,张首晟成为清华大学特聘教授。2009年,他正式加入“千人计划”。常年往返中美两地承担科教,他在斯坦福带的很多学生都来自清华、北大。

  为促进中美之间科技成果的共同孵化,他成立了风险投资公司,取名“丹华资本”。“丹”一语双关,既代表“赤子丹心”,也指斯坦福(又译史丹福);“华”则明指中华。

  对自己的两个孩子,张首晟并没有刻意引导他们往物理学方向发展,而会培养他们的好奇心。儿子张晨波曾获国际物理奥林匹克金牌,现已从哈佛大学毕业,女儿如今也进入了斯坦福大学。张首晟寄望,中国的青年科学家,当志存高远。

  在收到仅存的牛顿《自然哲学的数学原理》英文原版时,张首晟曾写下这样一段话:“既然无法抵挡她万有的吸引,为何不遨游星际而时时相伴?既然为量子因果而纠缠绵绵,为何不心心相印寄在水一方?既然追不上她永恒不变的步伐,为何不对镜赏花以光传因缘……”

  对话:“天使粒子”将造福人类

  广州日报:马拉约纳费米子前人也有实验。你的团队在研究中有何创新?

  张首晟:以前的实验得到的并不是一个粒子,和我们不同。另外,我们做了非常好的实验设置。不需要把参数调到恰到好处才能发现这个现象,这个非常难。我们的实验预言是,磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体混合系统做出来之后,不需要调太多的参数,马拉约纳费米子自然而然就会出来。还有,我们给出了一个非常精准的平台,也就是半整数电阻的量子平台。这非常重要。

  最难是找到合适材料

  广州日报:实验研究中遇到的最大困难在哪里?

  张首晟:我带领的是理论组,给实验科学家提供建议。整个工作都比较顺利。

  最大的困难是材料难找。整个实验组前后共筛选了近4000种材料。我提出的磁性拓扑绝缘体和超导体,两个单独找没什么问题,但是叠加放在一起不容易,两个材料会互相影响。实验团队花了几个月才成功。

  广州日报:研究发现“天使粒子”的过程中?

  张首晟:我们共发表了4篇文章,前两篇非常重要,尤其是第一篇就建立了这个实验的基础,运用量子材料。这是我和我们组的学生一起讨论产生的想法。第二篇是讲具体的实验数据是什么,我记得也是在几次会议后我和学生们讨论出来的。我们是一步步介绍实验该怎么做。

  未来将应用于量子计算机

  广州日报:你非常擅长用类比来解释一些科学问题。能否用最简单的语言解释一下此次科学发现?

  张首晟:一个粒子等于自己的反粒子,翻译成数学公式,就是相当于1=-1。 我们把-1移到左边,也就是证明2=0。这个可不可能呢?

  在凝聚态物理中,有个超导现象,电子是成对的,成对之后进入量子的基态里。电子是一对,跑到基态,基态是能量最低级的量子态,相当于0 ,在某种意义上就是证明2=0的概念。

  在以往的量子反常霍尔效应实验中,调节外磁场,量子反常霍尔效应薄膜呈现量子平台,对应1、0、-1倍基本电阻单位。当把超导体置于量子反常霍尔效应薄膜上时,邻近效应会出现新的量子平台,对应1/2倍基本电阻单位。这半个电阻单位来源于马拉约纳费米子没有反粒子,某种意义上就可以视为半个传统粒子。这多出来的半整数量子平台就是发现的有力证据。

  未来它的主要应用是量子计算机,但过程会非常漫长。

  对大自然好奇最重要

  广州日报:杨振宁认为你“获诺奖只是时间问题”,你有何感想?

  张首晟:工作需要好奇心驱动,这些(名利)不要想太多。导师的话对我没什么压力。获得诺贝尔物理学奖的人不多,每年也就是三四个吧。

  获奖不是一个压力问题。现在有个现象,每个重大的发现出来,人们总是问两个问题,这个发现有用吗?这个东西能不能得诺奖?我觉得不应该只看到这两方面,还要更深刻地看到科学发现本身的重要性在哪。每一次发现都告诉我们,大自然的每一个组成部分都很重要。

  广州日报:此次发现基本由华人科学家团队完成,你随后也在北京宣布了这个发现。如何看待华人科学家的传承精神?

  张首晟:我们团队有一个发布日期。首先是在斯坦福发布,然后在北京。这次发现是理论和实验团队合作的巨大成功。团队成员在美国工作,但都是华人科学家,大家都紧密合作、互相鼓励。

  广州日报:你每年往返中美两地做教研和科研合作,对中国的青年科学家有什么期待?

  张首晟:这个是我最想讲的。大家做科学研究,最大的动力应该是对大自然的好奇心。结合整个量子物理学的发展来看,最开始我们发现大自然有正有反,有阴有阳。然后有科学家就认为基本粒子也应该是这样的,后来就发现了反粒子。又有科学家想到有没有自身就是反粒子的。他们对这些问题都非常好奇。他们一开始都没想诺奖,对大自然好奇的驱动力,是科学家最原始的动力。