“幽灵粒子”外尔费米子

风轻扬

2015年12月11日，英国物理学会主办的《物理世界》公布了“2015年十大突破”，中国科学院物理所研究团队的“外尔费米子研究”入选其中。外尔费米子是科学家追逐了近一个世纪的“幽灵粒子”。如果告诉你，利用这种神秘莫测的外尔费米子，手机充一次电就能用个一年半载，你相信吗？

1929年，德国科学家赫尔曼·外尔最先提出，微观世界存在一类性质特殊的粒子，这种粒子没有质量，具有左旋和右旋两种不同的属性。后来科学家称之为“外尔费米子”（费米是意大利物理学家）。由于其特殊的物理性质，外尔费米子极有可能给集成电路等领域带来重大变革。然而经过近一个世纪的研究和探索，到2015年7月之前，科学家始终没有发现外尔费米子的踪迹。

在找寻外尔费米子的道路上，也发生过“误会”，神秘莫测的中微子就曾经被误认为是外尔费米子。每天，大量从太阳辐射出来的中微子会抵达地球。中微子具有很强的穿透能力，可以畅通无阻地穿过庞大的星球，将星球内部的信息带给我们，为我们了解宇宙提供途径。中微子的速度极快，从太阳到地球只需要8分钟，并且不带电，几乎不与周围环境发生任何作用。外尔费米子在某些特性上与中微子类似，这也是它难以被捕捉到的原因之一。然而此后一系列的科学实验证明，中微子虽然微小，但仍然具有振荡现象，而振荡只有在有质量的粒子间才能进行，因此它并不符合外尔费米子质量为0的特征。

尽管外尔费米子的发现之旅并不顺利，但科学家们一直没有停止过寻找外尔费米子的脚步。

2011年，南京大学万贤纲教授与几名国际研究者合作，通过理论计算，预言一种磁结构复杂的铱氧化物可能是外尔半金属，含有外尔费米子。同年，中科院物理所的方忠、戴希团队预言，铁磁尖晶石也可能是外尔半金属。尽管科学家进行了大胆预言和猜测，但由于磁性材料结构复杂，验证工作并不顺利。

直到2015年7月16日，《科学》杂志在线发表了美国普林斯顿大学的扎伊德·哈桑团队在外尔半金属中发现了外尔费米子的实验成果。4天之后，中科院物理所发布消息称，其科研团队首次发现了具有左旋和右旋两种不同属性的外尔费米子。短短几日之内，两个不同的科学团队先后声称发现了外尔费米子，在这一重大发现的背后，是一场激烈的科学竞赛。在这场科学竞赛中，中国科学家的研究能力和探索精神丝毫不逊色于国外的研究团队。要想找到难以捕捉的“幽灵粒子”，首先需要确定它的藏身之地。正是中国科学家通过理论计算初步确定了TaAs（砷化钽晶体）等外尔半金属可能含有外尔费米子，为“幽灵粒子”的发现提供了有效的思路和途径。

虽然外尔费米子像幽灵一样难以捕捉，而且看起来似乎离我们的生活很远，但是，它的发现却可能极大地推进未来技术的发展。

自集成电路诞生的那一天起，它的集成度就走上了一条越来越高、从不回头的道路。随着集成度的逐步增高，发热和能耗就成了不可避免的难题。

电子并不安分，它没有明确的属性，运动过程有很多不确定性，这与CPU的高热和高能耗有密切关系。如果我们用外尔费米子将电子置换掉，由于外尔费米子是有特定自旋属性的电子，因此会规规矩矩地前进，实现低能耗的电子传输，解决电子器件小型化和多功能化所面临的高能耗问题。微观世界的这一次突破性发现，也可能带来电子设备和计算机领域的革命。

目前电子设备的充电原理是使电子经电线和电路流通进入设备，电子自旋属性杂乱，会导致能量的流失。如果采用质量为0，且具有特定属性的外尔费米子，它可以在保证能量几乎不流失的情况下为移动设备充电，解决电子设备待机时间短、电量消耗快的问题。在不久的将来，手机或许就能实现充一次电使用一年的情况。尽管这还有相当长的一段路要走，但外尔费米子有可能让这种期待成为现实。

在开发量子计算机方面，过去被用来进行量子计算的光子，其量子态非常脆弱，电磁干扰或物理干扰可以轻松地导致其量子态改变，并打乱量子计算进程。外尔费米子的出现，或许能为这种局面带来转机。一方面，含有外尔费米子的材料能够充当超导体；另一方面，外尔半金属等材料能够保持长时间稳定的量子态，不受或很少受到外部世界的干扰，有望助力于打造一台低功耗、高容错的量子计算机。

编辑/王君梅