根據達特茅斯學院和紐約州立大學理工學院科學家們領導的一項研究，在意大利物理學家埃托雷·馬約拉納為電子可以分裂的發現奠定基礎近一個世紀后，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，這一發現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現發表在《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：“這是對我們如何理解光的一個重大範式的改變，而這種方式被認為是不可能的。我們不僅發現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。”
類似於液態水在特定條件下可以變成冰或水蒸氣，該研究表明，光也可以存在於不同的階段–光子作為兩個不同的部分出現。
“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不同，”維奧拉說。“這就是我們需要接近我們對類光物質的理解，它可以存在於不同的階段。”
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。”
這項研究是基於物理學的基本原理。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，傾向於聚集在一起。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於能量泄漏、耗散的腔體，這些腔體被耦合在一起並充滿了光的量子包。該研究預測，粒子的一半出現在這樣一個合成平台的邊緣。“馬約拉納玻色子”因此被發現。
弗林說：“我們的發現提供了第一個暗示，一個以前未知的、承載馬約拉納玻色子的光和物質的拓撲相位可能存在。”
這一理論發現建立在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。但是直到現在，光子仍然是不可分割的。
根據研究小組的說法，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別不亞於兩種東西，”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遊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模結構不同，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有或近期的技術。
研究小組發現，馬約拉納玻色子對實驗中的不完善之處是穩健的，並可通過明顯的特徵進行識別。雖然很難預測這些發現如何應用，但這些特徵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展。這項研究還為揭開物質和光的一個新的、奇特的階段指明了方向。
維奧拉說：“為了做出這一發現，我們必須挑戰長期以來的信念，並真正跳出框框思考問題。我們已經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。”