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物理80年來的謎團:馬約拉納費米子(Majorana Fermion)的偵測

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撰文者:甘魯生 教授
發文日期:2017-08-10
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  • 2017年7月在物理的研究與發現上有了重大的進展: 由台裔教授王康隆博士領軍的UCLA研究團隊,偵測到了馬約拉納費米子(Majorana Fermion)。解答了物理80年來的一個懸念,証實了一個匪夷所思的觀念,給將來可能的應用帶來了無窮的遐思和希望。王康隆教授表示:

    『最重要的就是推進量子電腦的發展,現在有的電腦是線性、序列性的計算,但量子電腦是可以同步執行,因此又稱為『糾纏式的演算法』,所以計算速度會更快!』(註一)

    那是一個什麼觀念呢?我們必須把時空拉回89年前起。1928年英國理論物理學家Paul Dirac(1933年諾貝爾物理獎得主)利用Dirac formula成功解釋了費米子的性質,並預測有反物質的存在。在宇宙之中物質—反物質會一對對存在且物質和反物質的特性是一模一樣唯一的差別只有電荷是相反的。比如說:電子是物質,帶有一個負電荷;那麼它的反物質就帶一個正電荷。果不其然Carl David Anderson在1932年發現了正子,之後很多夸克的反物質陸續也被發現。這一觀念很快被人們所接受並牢牢記住:正和反物質必須由二個粒子才算完整。

    Ettore Majorana是一位義大利的理論物理學家,他在1937年預測了有一種費米粒子是正反粒子的合體,它不含電荷,被稱為『馬約拉納費米子』。截至上個月為止,馬約拉納費米子(即正反物質在同一粒子上),這想法仍未獲得實驗上的驗證。然而在2017年7月20日美國科學(Science)刊登了王康隆教授及其研究團隊研究成果,解決了馬約拉納費米子在基礎物理學延續80年來一大問題並提出了在應用上的價值。
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    王康隆(中)帶領兩位學生與研究團隊負責大部分的論文撰寫、修改工作。左、右學生為何慶林、潘磊。(註一)
     
    近來,許多報導沸沸揚揚的討論著這項物理學上的突破及成就能不能得諾貝爾物理獎?王康隆教授說:『從來沒想過!我是做科學研究的人,而做科學的人不會想這個問題,想的只有好好把實驗做好。我認為諾貝爾物理獎是一個機遇,每天想拿獎不好,就不是一個做學問的態度了!就不是為了做物理,而是為了得獎去做!』(註二)
    王康隆教授上面的一席話,表現出學者該有的高度與看法:“不為獎而獎,但能得獎也不必太謙虛!”

    回過頭來看諾貝爾物理獎的歷史,
    • 發現電子的Joseph John Thomsom得到了1906年諾貝爾物理獎;
    • 發現上述正子的Carl David Anderson得到了1936年諾貝爾物理獎;
    • 預言有介子存在的湯川秀樹得到了1949年諾貝爾物理獎;
    • 發現J粒子的丁肇中得到了1976年諾貝爾物理獎;
    • 這世紀以來還有預言三大類夸克(three families of quarks)的小林誠和益川敏英得到了2008年諾貝爾物理獎;
    • 前年(2015)瑞典皇家將諾貝爾物理獎証明微中子(neutrino)有質量(因為它能震盪)的梶田隆章;
    那麼預言有馬約拉納費米子的Ettore Majorana有沒有得獎?答案是:沒有! Ettore Majorana這位被Enrico Fermi讚許和伽利略和牛頓同級的天才人物竟然沒得諾貝爾獎?這必須要話說從頭,首先Ettore Majorana在1937年出版的論文(Ettore Majorana, Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone. Nuovo Cim. 14, 171–184 (1937)),是以義大利文寫的研究論文。語言的問題,對於論文的傳播有很大的影響;另外一個意想不到的事,他在1938年三月在一次乘船旅行途中神秘失蹤了!雖有各種猜想他到那去了,但至今無解。當時他才32歲(1906-1938)。儘管他生命短促,但仍有得諾貝爾的機會。 1932年Irène Joliot-Curie和Frédéric Joliot發現一未知的粒子存在,但他們解釋為伽瑪射線。因為在高能物理中質和能可以互相轉換;但Majorana認為是一中性而且質量和質子相近的粒子才能解釋Irène Joliot-Curie和Frédéric Joliot的結果。這粒子就是後來被稱為中子的粒子。當時,Fermi要Majorana趕快將他的解釋寫成論文,但Majorana卻不想這麼做。反倒被James Chadwick接手並證實為真,因此 James Chadwick得到了1935年諾貝爾物理獎。所以說人的命運是性格的產物!

    理論學家利用豐富的知識和嚴謹的邏輯做出驚世的推論固然是一件了不得的成就,但真實與否須實驗的驗証!王康隆教授的實驗設計是將一片超導體和一片磁性拓樸絕緣體(magnetic topological insulator)結合在一起;並在在二片之間加入磁性物質,並放入可變動的磁場中,變動的磁場使得電子在超導二側呈相反方向運動,電子流動速度變慢或停止,也可改變方向。透過可變動磁場的掃描,王康隆教授的團隊觀察到馬約拉納費米子特殊的量子訊號出現,証實了馬約拉納費米子的存在。看來非常簡單的實驗,但做起來非常艱幸。最困難的部分就是生長單晶層材料和在低溫高磁場下測量數據。再聽聽王康隆教授怎麼說:

    『這次發現馬約拉納費米子的過程中最困難的就是單晶層的生長!我們用了十幾年的時間從事於分子束磊晶的工作(molecular beam epitaxy),把這個材料優化到現在的程度才有辦法做這個實驗。其他還有困難的地方就是得到這材料測試之後如何分析?材料上分析也是很重要的過程,我們花了很多時間才把結果分析出來。』(註三)

    十多年嘔心瀝血的研究,現終有所成。王康隆教授獲獎機會非常大,因為和馬約拉納費米子發現最相似的是希格斯粒子(也叫神或上帝粒子)的發現。 希格斯粒子是延宕了49年後才被Francois Englert和Peter W. Higgs在2012發現,次年就得到了諾貝爾物理獎!


    延伸閱讀資料:
    註一:王康隆:「論文定案,我和學生花了近一年」
    註二:參與學者王康隆:亦陽亦陰 叫「太極粒子」更貼切
    註三:私人通訊
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