“分裂”光子的发现提供了一种观察光的新方法

诸平

photon Credit: CC0 Public Domain 

Credit: LaDarius Dennison / Dartmouth College

据美国达特茅斯学院（Dartmouth College）2021年12月13日报道，在意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)为电子可以分为两半的发现奠定基础近一个世纪后，根据达特茅斯学院和纽约州立大学理工学院(SUNY Polytechnic Institute)研究人员的一项研究，研究人员预测分裂光子可能也存在（Discovery of 'split' photon provides a new way to see light）。

光的组成部分可以以一种以前无法想象的分裂形式存在，这一发现促进了对光及其行为的基本理解。被称为“马约拉纳玻色子（Majorana boson）”的分裂光子的理论发现于2021年12月10日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站——Vincent P. Flynn, Emilio Cobanera, Lorenza Viola. Topology by Dissipation: Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics. Physical Review Letters, 2021, 127(24): 245701 – Published 10 December 2021. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.245701. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.245701

“这是一个重大的范式变化，改变了我们理解光的方式，以一种以前认为不可能的方式，”洛伦扎·维奥拉(Lorenza Viola)说，他是达特茅斯学院的詹姆斯·弗兰克家族物理学教授，也是这项研究的通讯作者。“我们不仅发现了一个新的实体，而且是一个没有人相信会存在的实体。”

与液态水在特定条件下变成冰或蒸汽类似，该研究表明，光也可以以不同的相位存在，其中光子以不同的两部分出现。洛伦扎·维奥拉说：“水就是水，不管它是液态还是固态。它只是根据身体条件表现得不同。这就是我们理解像光一样的物质的方式，它可以存在于不同相。”

光子的一半不是物理上可以分开的部分，它的作用类似于硬币的不同侧面。这两个截然不同的部分组成了一个整体，但它们可以作为独立的单元进行描述和功能。论文的第一作者、达特茅斯学院的博士候选人文森特·弗林(Vincent Flynn)说：“每个光子可以被认为是两个不同部分的总和，我们能够识别出将这两部分分开的条件。”这项研究是以物理学基础为基础的。

粒子有两种不同类型:费米子（fermions）和玻色子（bosons）。费米子，例如电子，趋向于孤立的，不惜一切代价回避彼此。玻色子，比如光子，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无法克服的任务。

达特茅斯理论依赖于能量泄漏和耗散的空洞，这些空洞被耦合在一起，并充满了光的量子包。这项研究预测，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（Majorana boson）被发现。

文森特·弗林说:“我们的发现提供了第一个线索，表明先前未知的光和物质的拓扑相（topological phase）可能存在，其中包含马约拉纳玻色子。”

这一理论发现建立在1937年的预测之上，即中性的、类似电子的被称为马约拉纳费米子（Majorana fermions）的粒子的存在。2001年，研究人员提出了一个特定的过程，可以让电子在某些超导体中减半。但光子直到现在都是不可分割的。

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。

该研究的合著者、纽约州立大学理工学院（SUNY Polytechnic Institute）物理学助理教授、埃米利奥·科巴涅拉（Emilio Cobanera）说：“费米子和玻色子是物理学中最不同的两种东西。实际上，这些粒子是彼此扭曲的图像。马约拉纳费米子的存在是我们的主要线索，证明马约拉纳玻色子就藏在镜子里的某个地方。”

马约拉纳玻色子的确认仍然需要一个观察一半光子的实验室实验。与为探测著名的希格斯玻色子（Higgs boson）而建造的块状结构不同，探测光子一半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缺陷很有抵抗能力，而且可以通过不同的特征识别出来。虽然很难预测这些发现将如何应用，但这些特性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。这项研究还为揭示物质和光的一个新的奇异相（exotic phase）指明了方向。

洛伦扎·维奥拉说:“为了得到这个发现，我们必须挑战长期以来的观念，真正跳出固有的思维模式。我们分裂了之前认为不可分裂的东西，我们再也不会以同样的方式看待光了。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Scientists discover particles similar to Majorana fermions

Abstract

Majorana bosons, that is, tight bosonic analogs of the Majorana fermionic quasiparticles of condensed-matter physics, are forbidden for gapped free bosonic matter within a standard Hamiltonian scenario. We show how the interplay between dynamical metastability and nontrivial bulk topology makes their emergence possible in noninteracting bosonic chains undergoing Markovian dissipation. This leads to a distinctive form of topological metastability, whereby a conserved Majorana boson localized on one edge is paired, in general, with a symmetry generator localized on the opposite edge. We argue that Majorana bosons are robust against disorder and identifiable by signatures in the zero-frequency steady-state power spectrum. Our results suggest that symmetry-protected topological phases for free bosons may arise in transient metastable regimes, which persist over practical timescales.