“幽靈粒子”外爾費米子

風輕揚

2015年12月11日，英國物理學會主辦的《物理世界》公布了“2015年十大突破”，中國科學院物理所研究團隊的“外爾費米子研究”入選其中。外爾費米子是科學家追逐了近一個世紀的“幽靈粒子”。如果告訴你，利用這種神秘莫測的外爾費米子，手機充一次電就能用個一年半載，你相信嗎？

1929年，德國科學家赫爾曼·外爾最先提出，微觀世界存在一類性質特殊的粒子，這種粒子沒有質量，具有左旋和右旋兩種不同的屬性。后來科學家稱之為“外爾費米子”（費米是意大利物理學家）。由于其特殊的物理性質，外爾費米子極有可能給集成電路等領域帶來重大變革。然而經過近一個世紀的研究和探索，到2015年7月之前，科學家始終沒有發現外爾費米子的蹤跡。

在找尋外爾費米子的道路上，也發生過“誤會”，神秘莫測的中微子就曾經被誤認為是外爾費米子。每天，大量從太陽輻射出來的中微子會抵達地球。中微子具有很強的穿透能力，可以暢通無阻地穿過龐大的星球，將星球內部的信息帶給我們，為我們了解宇宙提供途徑。中微子的速度極快，從太陽到地球只需要8分鐘，并且不帶電，幾乎不與周圍環境發生任何作用。外爾費米子在某些特性上與中微子類似，這也是它難以被捕捉到的原因之一。然而此后一系列的科學實驗證明，中微子雖然微小，但仍然具有振蕩現象，而振蕩只有在有質量的粒子間才能進行，因此它并不符合外爾費米子質量為0的特征。

盡管外爾費米子的發現之旅并不順利，但科學家們一直沒有停止過尋找外爾費米子的腳步。

2011年，南京大學萬賢綱教授與幾名國際研究者合作，通過理論計算，預言一種磁結構復雜的銥氧化物可能是外爾半金屬，含有外爾費米子。同年，中科院物理所的方忠、戴希團隊預言，鐵磁尖晶石也可能是外爾半金屬。盡管科學家進行了大膽預言和猜測，但由于磁性材料結構復雜，驗證工作并不順利。

直到2015年7月16日，《科學》雜志在線發表了美國普林斯頓大學的扎伊德·哈桑團隊在外爾半金屬中發現了外爾費米子的實驗成果。4天之后，中科院物理所發布消息稱，其科研團隊首次發現了具有左旋和右旋兩種不同屬性的外爾費米子。短短幾日之內，兩個不同的科學團隊先后聲稱發現了外爾費米子，在這一重大發現的背后，是一場激烈的科學競賽。在這場科學競賽中，中國科學家的研究能力和探索精神絲毫不遜色于國外的研究團隊。要想找到難以捕捉的“幽靈粒子”，首先需要確定它的藏身之地。正是中國科學家通過理論計算初步確定了TaAs（砷化鉭晶體）等外爾半金屬可能含有外爾費米子，為“幽靈粒子”的發現提供了有效的思路和途徑。

雖然外爾費米子像幽靈一樣難以捕捉，而且看起來似乎離我們的生活很遠，但是，它的發現卻可能極大地推進未來技術的發展。

自集成電路誕生的那一天起，它的集成度就走上了一條越來越高、從不回頭的道路。隨著集成度的逐步增高，發熱和能耗就成了不可避免的難題。

電子并不安分，它沒有明確的屬性，運動過程有很多不確定性，這與CPU的高熱和高能耗有密切關系。如果我們用外爾費米子將電子置換掉，由于外爾費米子是有特定自旋屬性的電子，因此會規規矩矩地前進，實現低能耗的電子傳輸，解決電子器件小型化和多功能化所面臨的高能耗問題。微觀世界的這一次突破性發現，也可能帶來電子設備和計算機領域的革命。

目前電子設備的充電原理是使電子經電線和電路流通進入設備，電子自旋屬性雜亂，會導致能量的流失。如果采用質量為0，且具有特定屬性的外爾費米子，它可以在保證能量幾乎不流失的情況下為移動設備充電，解決電子設備待機時間短、電量消耗快的問題。在不久的將來，手機或許就能實現充一次電使用一年的情況。盡管這還有相當長的一段路要走，但外爾費米子有可能讓這種期待成為現實。

在開發量子計算機方面，過去被用來進行量子計算的光子，其量子態非常脆弱，電磁干擾或物理干擾可以輕松地導致其量子態改變，并打亂量子計算進程。外爾費米子的出現，或許能為這種局面帶來轉機。一方面，含有外爾費米子的材料能夠充當超導體；另一方面，外爾半金屬等材料能夠保持長時間穩定的量子態，不受或很少受到外部世界的干擾，有望助力于打造一臺低功耗、高容錯的量子計算機。

編輯/王君梅