“分裂”的光子：新研究预测了一种以前无法想象的粒子的存在

被称为“马约拉纳玻色子”的分裂光子的理论发现发表在《物理评论快报》上。

达特茅斯学院詹姆斯·弗兰克家族物理学教授、这项研究的高级研究员洛伦扎·维奥拉说：“这是对我们如何理解光的一个重大范式的改变，而这种方式被认为是不可能的。我们不仅发现了一个新的物理实体，而且它是一个没有人认为可能存在的实体。”

类似于液态水在特定条件下可以变成冰或水蒸气，该研究表明，光也可以存在于不同的阶段--光子作为两个不同的部分出现。

“水就是水，不管它是液体还是固体形式。它只是在物理条件下表现不同，”维奥拉说。“这就是我们需要接近我们对类光物质的理解，它可以存在于不同的阶段。”

达特茅斯学院学的博士生、该论文的第一作者文森特·弗林说：“每个光子都可以被认为是两个不同部分的总和。我们能够确定将这些半成品相互隔离的条件。”

这项研究是基于物理学的基本原理。粒子有两种不同类型：费米子和玻色子。费米子，如电子，往往是孤独的，不惜一切代价“避开对方”。玻色子，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不可逾越的任务。

达特茅斯学院的理论依赖于能量泄漏、耗散的腔体，这些腔体被耦合在一起并充满了光的量子包。该研究预测，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”因此被发现。

弗林说：“我们的发现提供了第一个暗示，一个以前未知的、承载马约拉纳玻色子的光和物质的拓扑相位可能存在。”

这一理论发现建立在1937年对被称为马约拉纳费米子的中性、类似电子的粒子存在的预测之上。2001年，研究人员提出了一个具体的过程，即电子如何在某些超导体中实际减半。但是直到现在，光子仍然是不可分割的。

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”。

“费米子和玻色子在物理学中的区别不亚于两种东西，”纽约州立大学理工学院物理学副教授、该研究的共同作者Emilio Cobanera说：“实际上，这些粒子是彼此的扭曲的图像。马约拉纳费米子的存在是我们的主要线索，即马约拉纳玻色子隐藏在游乐场镜子的某个地方。”

对马约拉纳玻色子的确认仍然需要一个观察光子“分裂”的实验室实验。与为检测著名的希格斯玻色子而建造的大规模结构不同，检测光子“分裂”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不完善之处是稳健的，并可通过明显的特征进行识别。虽然很难预测这些发现如何应用，但这些特征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。这项研究还为揭开物质和光的一个新的、奇特的阶段指明了方向。

维奥拉说：“为了做出这一发现，我们必须挑战长期以来的信念，并真正跳出框框思考问题。我们已经分裂了一些以前被认为是不可分裂的东西，我们将永远不会以同样的方式来看待光。”