根據(jù)達特茅斯學院和紐約州立大學理工學院科學家們領(lǐng)導的一項研究，在意大利物理學家埃托雷·馬約拉納為電子可以分裂的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)近一個世紀后，研究人員預測，分裂的光子也可能存在。光的組成成分可以以以前無法想象的分裂形式存在，這一發(fā)現(xiàn)推進了對光及其行為方式的基本理解。

被稱為“馬約拉納玻色子”的分裂光子的理論發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評論快報》上。

達特茅斯學院詹姆斯·弗蘭克家族物理學教授、這項研究的高級研究員洛倫扎·維奧拉說：“這是對我們?nèi)绾卫斫夤獾囊粋€重大范式的改變，而這種方式被認為是不可能的。我們不僅發(fā)現(xiàn)了一個新的物理實體，而且它是一個沒有人認為可能存在的實體。”

類似于液態(tài)水在特定條件下可以變成冰或水蒸氣，該研究表明，光也可以存在于不同的階段--光子作為兩個不同的部分出現(xiàn)。

“水就是水，不管它是液體還是固體形式。它只是在物理條件下表現(xiàn)不同，”維奧拉說。“這就是我們需要接近我們對類光物質(zhì)的理解，它可以存在于不同的階段。”

達特茅斯學院學的博士生、該論文的第一作者文森特·弗林說：“每個光子都可以被認為是兩個不同部分的總和。我們能夠確定將這些半成品相互隔離的條件。”

這項研究是基于物理學的基本原理。粒子有兩種不同類型：費米子和玻色子。費米子，如電子，往往是孤獨的，不惜一切代價“避開對方”。玻色子，如光子，傾向于聚集在一起。因此，研究人員很自然地認為，分裂玻色子將是一項不可逾越的任務。

達特茅斯學院的理論依賴于能量泄漏、耗散的腔體，這些腔體被耦合在一起并充滿了光的量子包。該研究預測，粒子的一半出現(xiàn)在這樣一個合成平臺的邊緣。“馬約拉納玻色子”因此被發(fā)現(xiàn)。

弗林說：“我們的發(fā)現(xiàn)提供了第一個暗示，一個以前未知的、承載馬約拉納玻色子的光和物質(zhì)的拓撲相位可能存在。”

這一理論發(fā)現(xiàn)建立在1937年對被稱為馬約拉納費米子的中性、類似電子的粒子存在的預測之上。2001年，研究人員提出了一個具體的過程，即電子如何在某些超導體中實際減半。但是直到現(xiàn)在，光子仍然是不可分割的。

根據(jù)研究小組的說法，馬約拉納玻色子可以被視為馬約拉納費米子的“遠親”。

“費米子和玻色子在物理學中的區(qū)別不亞于兩種東西，”紐約州立大學理工學院物理學副教授、該研究的共同作者Emilio Cobanera說：“實際上，這些粒子是彼此的扭曲的圖像。馬約拉納費米子的存在是我們的主要線索，即馬約拉納玻色子隱藏在游樂場鏡子的某個地方。”

對馬約拉納玻色子的確認仍然需要一個觀察光子“分裂”的實驗室實驗。與為檢測著名的希格斯玻色子而建造的大規(guī)模結(jié)構(gòu)不同，檢測光子“分裂”的實驗可以在桌面上完成。這樣的實驗可以利用現(xiàn)有或近期的技術(shù)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，馬約拉納玻色子對實驗中的不完善之處是穩(wěn)健的，并可通過明顯的特征進行識別。雖然很難預測這些發(fā)現(xiàn)如何應用，但這些特征可以支持新型量子信息處理器、光學傳感器和光放大器的發(fā)展。這項研究還為揭開物質(zhì)和光的一個新的、奇特的階段指明了方向。

維奧拉說：“為了做出這一發(fā)現(xiàn)，我們必須挑戰(zhàn)長期以來的信念，并真正跳出框框思考問題。我們已經(jīng)分裂了一些以前被認為是不可分裂的東西，我們將永遠不會以同樣的方式來看待光。”

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