最新研究預言：光子可以在特定條件下“分裂”

Majorana玻色子的發現表明光子可以“分裂”成兩半。圖片來源：LaDarius Dennison 的動畫

距離義大利物理學家Ettore Majorana預測電子可以分成兩半已近一個世紀。現在，達特茅斯大學和紐約州立大學理工學院組成的研究團隊，給出了一項新研究預測

：

“光子分裂”也可能存在。

可以肯定的是，光子可以以分裂形式存在的發現將促進我們對光及其行為的基本理解。

該理論發現

——被命名為“Majorana 玻色子”的分裂光子，近日發表於《物理評論快報》上。

達特茅斯大學物理學教授、高階研究員

Lorenza Viola表示，“這是重新理解光的重大正規化變化。我們發現了一個新的物理實體，一個難以置信其真實

存在的實體。

”

該研究表明，類似於液態水在特定條件下可以變成冰或蒸汽一樣，光也可以存在於不同的狀態從而

表現為兩個不同的一半。

“水就是水，不管它是液態還是固態，只是在不同的物理條件下

表現不同，

”Viola 說。“光也是這樣一種物質，它可以存在於不同的狀態

。

”

當然，光子的兩半並不是指物理切開的兩半碎片，而是類似於硬幣的兩個不同側面。

這兩個不同的部分構成了一個整體

的光子

，但它們可以作為獨立的單元進行描述和執行。

“

每個光子都可以被認為是兩個不同部分的總和

。

現在，

我們能夠確定將這

兩

部分彼此隔離的條件。

”達特茅斯大學的博士生、該論文的第一作者Vincent Flynn說到。

Vincent Flynn 和 Lorenza Viola。圖片來源：Eli Burakian ‘00

該研究

建立在

物理學

前沿研究

的基礎

之上

。

我們知道，基礎粒子有兩種不同的型別：費米子和玻色子。費米子，例如電子是孤立的，相互排斥的；而玻色子，例如光子，往往會聚集在一起。因此，很多研究人員會自然地認為分裂玻色子將是一項不可能的任務。

該研究

從

理論

上預言

：將一些能量洩露、耗散的腔耦合在一起，形成充滿光的量子包

，

Majorana

玻色子

——

光子

的一半

將

出現在這樣一個合成平臺的邊緣。

“我們的發現提供了這樣一個線索，

即可能存在一個承載

Majorana

玻色子的

未知

光物質

的

拓撲相，

”Flynn說。該理論發現建立在1937年對存在Majorana費米子預測的基礎上。儘管2001 年就有研究人員提出了一個特定過程來說明某些超導體中的電子是如何減半的，但直到現在，研究人員仍認為光子是不可分割的。

達特茅斯大學和紐約州立大學理工學院研究小組稱，

Majorana

玻色子可以被視為

Majorana

費米子的

“

遠親

”

。

“在物理學上，費米子和玻色子是兩種迥異的物質，而實際上則都是粒子彼此的扭曲映象。

所以，Majorana

費米子

將是發現Majorana

玻色子

的

主要線索

之一

，即

Majorana

玻色子

一定

隱藏在鏡子游樂園的某個地方。

”紐約州立大學理工學院物理學助理教授、該研究的合著者Emilio Cobanera說。

當前，

Majorana玻色子的確認仍然需要實驗來進一步觀察到“半個光子”

。與

Higgs玻色子檢測需要構建龐大實驗所不同，“半個光子”的檢測實驗在桌面系統上就可以進行。同時，此實驗還可以利用現有的或近期的技術來支援。

此外，

該團隊

還

預言

，

Majorana

玻色子

具有很大的實驗容錯性，

並且

具有可識別的特徵

。

儘管很難預測這些發現將如何應用，但這些特徵將可能支援新型量子資訊處理器、光學感測器和光學放大器的開發。該研究還指出了揭示物質和光的新奇特相的方法：

“

挑戰固有思維、真正跳出框架來思考，我們才研究出了這一發現。

‘分裂’的光子是存在的，我們永遠不要以一成不變

的方式看待光。

”Viola說。

參考資料：

Vincent P。 Flynn、Emilio Cobanera

、

Lorenza Viola，

《

Topology by Dissipation： Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics

》

，

2021

。

12

。

10，Physical Review Letters。

編譯：李每

編輯：王衍