2015世界物理八大进展, 中国学者贡献有三
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美国物理学会 (APS) 近日评选出2015年物理学标志性进展，中国物理学家在外尔费米子、五夸克粒子等研究发现中做出了重要贡献。
本文源自APS Physics，知社原创编译，转载请联系授权
量子力学的那个说法很奇怪，对相互纠缠的一对粒子中的一个施加测量行为，将决定另一个远端配对粒子的状态。尽管这一点今天已被广泛接受，但众所周知，爱因斯坦并不赞同这个理论。他认为一对粒子中的任何一个都携带了测定其状态结果所需的足够信息。今年有三个团队打消了人们的疑惑，这一“定域实在性”假设很可能是对的。在进行没有“漏洞”的贝尔定理实验时，来自美国国家标准与技术研究院的科学家，以及奥地利维也纳大学的学者都展示出纠缠的光量子所具有的对照关系超过了定域实在性的预测值。荷兰代尔夫特理工大学的研究人员通过分析纠缠的电子自旋发现了相似的反例。这些实验使近年来日益成熟的贝尔实验盖棺定论，并为安全的量子密码学系统奠定了基础。
这个领域的开拓者Alain Aspect在美国物理学会电子刊物Physics观点栏目的评述文章中提到段路明教授的如下工作：
L.-M. Duan, M. D. Lukin, J. I. Cirac, and P. Zoller,“Long-Distance Quantum Communication with Atomic Ensembles and Linear Optics,”Nature 414, 413 (2001).
大型强子对撞机上底夸克物理实验 (LHCb) 团队为其创立20周年献上了意想不到的礼物：观测到两个五夸克粒子。这些锌离子包含四个夸粒子和一个反夸克粒子，这是对五夸克状态的首次成功探测。研究人员是在检查Λb重子衰减成三种其它粒子时观察到五夸克状态的。这一重子相比其他由质子对撞产生的粒子而言具有足够长的寿命，使得研究人员能够在对撞残骸中发现五夸克粒子。对夸克粒子新形态的研究将为其力学模型的建立奠定基础。
清华大学工程物理系教授高原宁、副教授张黎明和杨振伟等组成的研究团队在这项发现中做出了突出贡献。目前，LHCb中国组由清华大学、华中师范大学和中国科学院大学的研究人员组成。
X射线晶体学一直是确定生物分子结构的主要方法。但它需要结晶样本，获取有一定难度。设想无需结晶的单体分子是X射线自由电子激光(XFEL) 技术的终极目标之一，这也是目前可用的最亮X射线源。斯坦福直线加速器中心研究人员通过XFEL产生的强烈脉冲获得了单体病毒的首张三维结构图。通过整合数百张病毒的随机衍射图像，作者最终得以重现米米病毒 (已知的最大病毒之一) 内部的电子密度。这一原理性实验为研究更小型致病病毒打开了大门，如艾滋病病毒、疱疹以及流感病毒等。
宇宙在我们眼中的形象其实是部分受到那些巨型暗物质团阻碍后形成的样子，这扭曲了遥远星系的本来面貌。不过天文学家们并未因此而抱怨，相反，他们利用这一引力效果来判断暗物质的位置。智利的暗物质调查(DES) 就是这样一个观测项目。通过分析南方天空139平方度的领域，DES团队创建了巨大而连续的暗物质地图。他们通过测量附近星系图形的微小距角来推断暗物质团的存在位置。项目组目前正致力于完成一幅更大的地图(约全天空的1/8)，借此他们将能够测量宇宙的扩张速度——这是神秘的暗能量所带来的影响。
1929年，德国数学家Hermann Weyl发表了一个简单的方程式，预测了一种没有质量的新型费米子粒子。一直以来，并没有哪种符合外尔费米子描述的基本粒子被发现。但费米子的相似体已在理论上被证实存在，它以电子激发态存在于一种假设的固体中——即外尔半金属。来自普林斯顿大学和中科院的两个实验团队，发现砷化钽就是这种固体。通过光电放射，他们展示了该材料表面电子能带具有外尔费米子所预期的弧形特征。来自麻省理工的团队则在光子晶体中发现似外尔态电磁微波。由于外尔费米子不具备质量的特性，研究人员预测它将作为信息载体应用于高速电子设备。
中科院物理所多名研究人员在外尔费米子的发现中做出了重要贡献。包括方忠、戴希、丁洪、翁红明等人。
光子虽然已用于在300公里以上的光纤中安全传送量子密钥，归根结底，光的衰减会限制信号在光纤中的传输距离 (量子属性不会损失)。但是，人造卫星与地球之间的联系将很快为量子通讯打开新的篇章。来自意大利帕多瓦大学和马特拉激光测距观测站的研究人员证实，将量子比特编码进光子中可以保存其脆弱的量子属性，即便到距离地球1000公里之外的人造卫星做一次往返旅行也没有问题。作者把量子比特编码在光子偏振当中，将其发射给五个人造卫星，并收到了返回光信息。经过这一旅程之后，借由切实的量子协议，不同的量子比特状态可以被清楚地辨识出来。
物理学家能够给“似电子”原子安静地照一张照片。单原子经过激光冷却和束缚后可生成图像，但仅限于玻色子。具有像电子那样相同自旋的费米子原子，以及其他粒子都已被证明难以被冷却和光镊。来自麻省理工学院、哈佛大学以及英国斯特莱斯克莱德大学的三个独立团队，成功使费米子原子喊出了“茄子”。基本思路是通过激光同时进行冷却和成像。这一成像能力对于量子模拟来说非常重要，费米子原子之间的相互作用借此可以微调模拟。比如，超导体和超巨磁阻材料中的强相关电子。
2015年最流行的一段物理视频就是气球以两种截然不同的方式爆裂。该影片由法国巴黎高等师范学校的物理学家拍摄，研究者表示当内部气压低于一定阈值时，气球会产生一条裂缝而爆裂；内部气压高于这个阈值，气球将从穿刺点成放射状四分五裂而爆炸。基于气球爆炸视频以及对橡胶碎片的分析，研究人员做出解释：在高压条件下，单一裂缝无法快速释放橡胶中的高张力。相反，多裂缝将允许更快速的张力释放。这一结论或将适用于其他材料的快速碎裂情况，如玻璃或者岩石。
参考文献
https://physics.aps.org/articles/v8/126
http://blog.sciencenet.cn/blog-3377-945072.html
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