最新研究预言：光子可以在特定条件下“分裂”

距离意大利物理学家Ettore Majorana预测电子可以分成两半已近一个世纪。现在，达特茅斯大学和纽约州立大学理工学院组成的研究团队，给出了一项新研究预测：“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发现将促进我们对光及其行为的基本理解。该理论发现——被命名为“Majorana 玻色子”的分裂光子，近日发表于《物理评论快报》上。达特茅斯大学物理学教授、高级研究员Lorenza Viola表示，“这是重新理解光的重大范式变化。我们发现了一个新的物理实体，一个难以置信其真实存在的实体。”

 

该研究表明，类似于液态水在特定条件下可以变成冰或蒸汽一样，光也可以存在于不同的状态从而表现为两个不同的一半。“水就是水，不管它是液态还是固态，只是在不同的物理条件下表现不同，”Viola 说。“光也是这样一种物质，它可以存在于不同的状态。”

 

当然，光子的两半并不是指物理切开的两半碎片，而是类似于硬币的两个不同侧面。这两个不同的部分构成了一个整体的光子，但它们可以作为独立的单元进行描述和运行。“每个光子都可以被认为是两个不同部分的总和。现在，我们能够确定将这两部分彼此隔离的条件。”达特茅斯大学的博士生、该论文的第一作者Vincent Flynn说到。

 

 

该研究建立在物理学前沿研究的基础之上。我们知道，基础粒子有两种不同的类型：费米子和玻色子。费米子，例如电子是孤立的，相互排斥的；而玻色子，例如光子，往往会聚集在一起。因此，很多研究人员会自然地认为分裂玻色子将是一项不可能的任务。

 

该研究从理论上预言：将一些能量泄露、耗散的腔耦合在一起，形成充满光的量子包，Majorana玻色子——光子的一半将出现在这样一个合成平台的边缘。

 

“我们的发现提供了这样一个线索，即可能存在一个承载Majorana玻色子的未知光物质的拓扑相，”Flynn说。该理论发现建立在1937年对存在Majorana费米子预测的基础上。尽管2001 年就有研究人员提出了一个特定过程来说明某些超导体中的电子是如何减半的，但直到现在，研究人员仍认为光子是不可分割的。

 

达特茅斯大学和纽约州立大学理工学院研究小组称，Majorana 玻色子可以被视为Majorana费米子的“远亲”。“在物理学上，费米子和玻色子是两种迥异的物质，而实际上则都是粒子彼此的扭曲镜像。所以，Majorana费米子将是发现Majorana玻色子的主要线索之一，即Majorana玻色子一定隐藏在镜子游乐园的某个地方。”纽约州立大学理工学院物理学助理教授、该研究的合著者Emilio Cobanera说。

 

当前，Majorana玻色子的确认仍然需要实验来进一步观察到“半个光子”。与Higgs玻色子检测需要构建庞大实验所不同，“半个光子”的检测实验在桌面系统上就可以进行。同时，此实验还可以利用现有的或近期的技术来支持。

 

此外，该团队还预言，Majorana玻色子具有很大的实验容错性，并且具有可识别的特征。尽管很难预测这些发现将如何应用，但这些特征将可能支持新型量子信息处理器、光学传感器和光学放大器的开发。该研究还指出了揭示物质和光的新奇特相的方法：

 

“挑战固有思维、真正跳出框架来思考，我们才研究出了这一发现。‘分裂’的光子是存在的，我们永远不要以一成不变的方式看待光。”Viola说。

 

参考资料：

Vincent P. Flynn、Emilio Cobanera、Lorenza Viola，《Topology by Dissipation: Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics》，2021.12.10，Physical Review Letters。

 

编译：李每

编辑：王衍