“分裂”的光子:新研究预测了一种以前无法想象的粒子的存在

2021年12月14日 09:57 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

根据达特茅斯学院和纽约州立大学理工学院科学家们领导的一项研究,在意大利物理学家埃托雷·马约拉纳为电子可以分裂的发现奠定基础近一个世纪后,研究人员预测,分裂的光子也可能存在。光的组成成分可以以以前无法想象的分裂形式存在,这一发现推进了对光及其行为方式的基本理解。

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被称为“马约拉纳玻色子”的分裂光子的理论发现发表在《物理评论快报》上。

达特茅斯学院詹姆斯·弗兰克家族物理学教授、这项研究的高级研究员洛伦扎·维奥拉说:“这是对我们如何理解光的一个重大范式的改变,而这种方式被认为是不可能的。我们不仅发现了一个新的物理实体,而且它是一个没有人认为可能存在的实体。”

类似于液态水在特定条件下可以变成冰或水蒸气,该研究表明,光也可以存在于不同的阶段--光子作为两个不同的部分出现。

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“水就是水,不管它是液体还是固体形式。它只是在物理条件下表现不同,”维奥拉说。“这就是我们需要接近我们对类光物质的理解,它可以存在于不同的阶段。”

达特茅斯学院学的博士生、该论文的第一作者文森特·弗林说:“每个光子都可以被认为是两个不同部分的总和。我们能够确定将这些半成品相互隔离的条件。”

这项研究是基于物理学的基本原理。粒子有两种不同类型:费米子和玻色子。费米子,如电子,往往是孤独的,不惜一切代价“避开对方”。玻色子,如光子,倾向于聚集在一起。因此,研究人员很自然地认为,分裂玻色子将是一项不可逾越的任务。

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达特茅斯学院的理论依赖于能量泄漏、耗散的腔体,这些腔体被耦合在一起并充满了光的量子包。该研究预测,粒子的一半出现在这样一个合成平台的边缘。“马约拉纳玻色子”因此被发现。

弗林说:“我们的发现提供了第一个暗示,一个以前未知的、承载马约拉纳玻色子的光和物质的拓扑相位可能存在。”

这一理论发现建立在1937年对被称为马约拉纳费米子的中性、类似电子的粒子存在的预测之上。2001年,研究人员提出了一个具体的过程,即电子如何在某些超导体中实际减半。但是直到现在,光子仍然是不可分割的。

根据研究小组的说法,马约拉纳玻色子可以被视为马约拉纳费米子的“远亲”。

“费米子和玻色子在物理学中的区别不亚于两种东西,”纽约州立大学理工学院物理学副教授、该研究的共同作者Emilio Cobanera说:“实际上,这些粒子是彼此的扭曲的图像。马约拉纳费米子的存在是我们的主要线索,即马约拉纳玻色子隐藏在游乐场镜子的某个地方。”

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对马约拉纳玻色子的确认仍然需要一个观察光子“分裂”的实验室实验。与为检测著名的希格斯玻色子而建造的大规模结构不同,检测光子“分裂”的实验可以在桌面上完成。这样的实验可以利用现有或近期的技术。

研究小组发现,马约拉纳玻色子对实验中的不完善之处是稳健的,并可通过明显的特征进行识别。虽然很难预测这些发现如何应用,但这些特征可以支持新型量子信息处理器、光学传感器和光放大器的发展。这项研究还为揭开物质和光的一个新的、奇特的阶段指明了方向。

维奥拉说:“为了做出这一发现,我们必须挑战长期以来的信念,并真正跳出框框思考问题。我们已经分裂了一些以前被认为是不可分裂的东西,我们将永远不会以同样的方式来看待光。”

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