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【科学讲座】丁洪:寻找固体宇宙中的新奇费米子

2018年12月13日晚7点,中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第179讲在玉泉路校区阶一5教室如期举行。中国科学院物理研究所的丁洪研究员为同学们带来了题为“寻找固体宇宙中的新奇费米子”的讲座。

丁洪研究员首先指出:人类文明的进步依赖于对物质的认识。而寻找新奇费米子的研究,恰是在开拓人类的视野,推动文明的进一步发展。丁洪研究员介绍到,宇宙中遵守费米统计的基本粒子即费米子,有如下三种:狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子。在1928年,狄拉克方程预言了正电子,1929年外尔方程预言了外尔费米子,而1937年的马约拉纳方程,得出了正粒子等于反粒子的结论,预言了马约拉纳费米子。丁洪研究员在PPT上展示了有质量的狄拉克费米子和无质量的狄拉克费米子的示意图。

对于真实宇宙中的基本粒子,目前只发现了狄拉克费米子,发现者卡尔·安德森因此获得1936年诺贝尔奖。而另外两种——外尔费米子和马约拉纳费米子却依然保持一定的神秘。丁洪研究员介绍了杨振宁先生的评述,简单讲解了双分量中微子理论。目前高能物理界认为中微子是马约拉纳费米子,但缺乏确切的实验证据。

而在固体材料的“宇宙”中,亿万电子通过相互作用形成一种决定材料性质的“准粒子”,一些低能准粒子与基本粒子可能遵循相同的物理规律,形成固体宇宙的费米子。丁洪研究员带领同学们一步步了解了准粒子的特性,解释了准粒子和基本粒子的可能联系。丁研究员介绍了还原论和衍生论两种定义粒子的思路的异同,指出粒子只是作为真空的运动模式的物化体现,进而点明了凝聚态物理的核心观念:序决定激发,真空决定粒子。近年来人们在固体宇宙中发现了外尔费米子,并发现马约拉纳费米子存在的较强的实验证据。同时人们又意识到固体宇宙与真实宇宙有差别,可能存在新型的费米子,如可能存在带有三重简并费米子。“固体中发现外尔费米子”成果文章是入选美国《物理评论》系列期刊125周年纪念论文集的唯一来自中国的工作。

丁洪研究员也向大家介绍了这项研究主要的实验手段和设备:角分辨光电子能谱、上海光源的“梦之线”等。此外还有高容错的拓扑量子计算方法,将数学概念引入凝聚态物理学,取得了全新的进展。

随即,丁洪研究员话题一转,开始讲述科学家们在科学探索中“找到”的过程。阿基米德在浴室里发现了浮力原理,Murphy在意外中发现了“虫洞”的可能性。丁洪研究员对着配图娓娓道来,用生动形象的语言描绘了科学家的发现历程,也鼓励同学们勇于探索发现,不拘泥、不死板,敢于开创未来。最后,丁洪研究员提出了“我们的目标”:建一流的设备,做一流的科研,有一流的人才,并欢迎国科大的同学前往实习。

进入问答的时间,在座的国科大学子踊跃发言,在亲切友好的对话和探讨中,丁洪研究员回答了诸如“北京光源和上海光源的异同”等问题。八点四十分,阶一五教室中再次响起热烈的掌声,本次科学前沿进展名家系列讲座圆满结束。(文/魏铭  图/黄姹  作者系国科大记者团成员)

讲座内容简介:

宇宙中遵守费米统计的基本粒子(费米子)有三种:有质量的狄拉克费米子、无质量的具有相反手性的外尔费米子、正反粒子相同的马约拉纳费米子。目前人们在真实宇宙中只发现了狄拉克费米子,还未发现外尔费米子或马约拉纳费米子。在固体材料中的“宇宙”中,一些低能准粒子与基本粒子可能遵循相同的物理规律,形成固体宇宙的费米子。近年来人们在固体宇宙中发现了外尔费米子,并发现马约拉纳费米子存在的较强实验证据。同时人们又意识到固体宇宙与真实宇宙有差别,可能存在新型的费米子,如可能存在带有三重简并费米子。在这个报告中我将介绍我们研究组是如何在固体宇宙中发现外尔费米子、三重简并费米子和马约拉纳费米子。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。