2021-06-11 17:37:02| 人氣22| 回應0 | 上一篇 | 下一篇
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它是粒子?不是粒子?哦,是准粒子!

物理学家第一次在激子准粒子中捕获了电子轨道


准粒子不同於通常所說的基本粒子,而是類似於基本粒子的物理實體,從大量基本粒子的相互作用中產生。不過,粒子和准粒子之間的界線正變得模糊,那些所謂的基本粒子可能同樣是演生出來的,或許存在一個更大的框架將它們統一起來。




粒子物理學標準模型中的17種基本粒子。准粒子不屬於基本粒子。| Fermilab Visual Media Services.


如何說到創造新的粒子,粒子物理學家想到的或許是,在越來越強大的對撞機中轟擊已有粒子,希望能從中碰撞出未知粒子。凝聚態物理學家考慮的則可能是,將材料置於不同環境下,比如極端低溫,或者扁平的二維平面,創造出具有新奇性質的准粒子。


根據粒子物理學的標準模型,17種基本粒子組成了我們所在世界的一切物質。那麼什麼是准粒子(quasiparticle)呢?准粒子也是一種粒子,不過准粒子不屬於基本粒子,而是從大量基本粒子的複雜相互作用中產生,表現得像是一個粒子一樣。


物理學家可以將由大量粒子組成的固體、液體或等離子體,置於極端的溫度和壓強下,然後將整個系統描述為一些類似粒子的實體,也就是准粒子。准粒子可以相當穩定,並和基本粒子一樣,具有諸如質量、電荷等固有性質。




准粒子不是基本粒子,而是從大量基本粒子的複雜相互作用中產生。

固體中一種常見的准粒子是聲子(phonon)。在晶體中,原子規則排布形成三維晶格結構,它們彼此之間像是由彈簧連接起來一樣,會發生集體振盪,攜帶着熱量和聲音在材料中傳播。聲子就是這種振盪模式對應的准粒子。在固體材料中,電子決定材料的導電性,聲子則決定聲音在材料中傳播的速度。正如光子是量子化的電磁波一樣,我們可以將聲子看作是量子化的聲波。




聲子是一種最常見的准粒子。| NIST

再比如,朗道在1933年提出一種叫作極化子(polaron)的准粒子。當電子在固體材料中運動時,會吸引周圍的正電荷而排斥負電荷,導致原子偏離原來的平衡位置,以有效地屏蔽電子,這使得電子表現得更像是一個具有更大有效質量的准粒子,也就是極化子。




極化子示意圖。| Wikipedia

在凝聚態物理中,還有其他更為奇特的准粒子。例如,所有的基本粒子可以根據其自旋特性分為兩種類型:一種是半整數自旋的費米子,比如電子,另一種是整數自旋的玻色子,比如光子。但一種叫做任意子(anyon)的准粒子卻可以超越這個限制,它們既不同於費米子,也不同於玻色子。(相關介紹參見《在微型粒子對撞機中尋找任意子+文小剛答疑 | 眾妙之門》)


物理學家簡直可以像擁有魔法一樣,創造出具有任意精確分數倍電子電荷或自旋的准粒子,即便我們還不清楚准粒子為何會有這種奇特的性質。通過直覺猜測、理論推導和計算機模擬,凝聚態物理學家已經能夠很好地計算出,哪些准粒子理論上可能存在。與此同時,在實驗室里,實驗物理學家將新材料置於更極端的環境,使得准粒子家族迅速發展壯大,並變得越來越奇異。


發現准粒子的過程就像是一項卓越的智力挑戰。最近發現的准粒子包括π子(pi-ton)、不可移動的分形子(fracton)和扭曲的褶皺子(wrinklon)等。牛津大學凝聚態理論物理學家Steve Simon說:「我們現在考慮的准粒子具有以前從未真正夢想過的特性。」


下面是一些最令人好奇,也可能最為有用的准粒子。


看不見的馬約拉納粒子

最早發現的准粒子之一是「空穴」,即在本應存在電子的地方沒有電子。上世紀40年代,物理學家發現,固體內部的空穴會像帶正電的粒子一樣四處跳躍。而一種更為奇特、可能也非常有用的准粒子是馬約拉納費米子(Majorana fermion),理論上,馬約拉納粒子的反粒子就是其自身。但從粒子物理學的角度,至今仍未發現這種粒子,而在凝聚態物理中,它同時是半個電子和半個空穴,可以作為一種准粒子。


2010年,美國馬里蘭大學的物理學家 Sankar Das Sarma 與合作者認為,馬約拉納粒子可以用來製造量子計算機。當電子和空穴圍繞着彼此移動時,它們就能存儲信息,就像用兩根繩子編織成圖案一樣。不同的擰繩子方法對應着0、1,以及0和1的疊加,它們是量子計算中的比特。

迄今為止,建造有效量子計算機的努力一直步履維艱,因為大多數粒子的量子疊加態在溫度過高或與其他粒子碰撞時會分崩離析。但馬約拉納准粒子沒有這種問題。


它們不同尋常的性質賦予了它自身零能量和零電荷的特性,從而在理論上允許它們存在於一種特定類型的超導體中。那裡不可能存在其他粒子,這就產生了一個「間隙」,使得馬約拉納粒子不可能衰變。也就是說,這個超導間隙保護着馬約拉納粒子。


自2010年以來,實驗人員一直競相利用超導體、納米線和磁場的複雜組合,來構建真正的馬約拉納粒子。2018年,一組研究人員在《自然》雜誌上報告稱,他們觀察到了馬約拉納粒子的關鍵特徵。但一些專家對部分數據分析提出了質疑,2021年3月,這篇論文被撤回。


設想出一種可能的准粒子是一回事,在接近絕對零度的實驗中觀察到它則是另一回事。樣品是由一個又一個原子組成,微小的雜質就可能破壞一切。但 Das Sarma 沒有望而卻步,他認為,「馬約拉納粒子一定會被觀測到,因為它的理論是純粹的。這只是一個工程問題,不是物理問題。」


用電磁極化子模擬黑洞

准粒子家族不斷壯大,它們所具有的一系列不同尋常的特徵為物理學家提供了豐富的武器,甚至可以用來模擬黑洞這樣的系統,幫助我們探索無法觸及的物理。

在宇宙中的一些區域,當引力強大到連光線都無法逃脫時,就會形成黑洞。通俗地說,黑洞附近的景象有點類似於浴缸拔掉塞子時的情景:水圍繞着出水口旋轉,在距離中心太近時,會不可避免地被吸入漩渦。不過,一種被稱為極化子(polariton)的准粒子可以用來更好地模擬黑洞。





旋轉的電磁極化子流體可以用來模擬旋轉的黑洞。左側圖片顯示不同區域的流體密度,中間黑暗區域的邊緣就像是黑洞的事件視界。右側的流體相位圖顯示了它的渦流。| Maxime Jacquet


極化子是一種類似於半光半物質的准粒子,當粒子模擬晶格被冷卻到接近絕對零度時,會產生電磁極化子。在實驗中,研究人員使用兩面反射鏡將一個光子困在籠中,籠子裡還有一個激子(exciton)。激子也是一種准粒子,由一對相互繞轉的電子和空穴組成,不過它與馬約拉納粒子不同,後者是一半電子、一半空穴同時存在於同一位置。





激子是由一對電子和空穴相互吸引而形成的准粒子。| Wikipedia

光子會在兩片鏡子之間來回反射大約100萬次,然後逃逸出去,在反射過程中,光子會與激子混合,形成極化子。許多光子和激子通過這種方式被禁錮起來,並結合形成極化子,這些電磁極化子總體上表現得就像液態光(liquid light)一樣,沒有摩擦,且不散射。研究人員設計電磁極化子的流動,來模擬光圍繞黑洞的運動。




液態光是光和物質相互作用形成的超流體,可以表現出液體的行為。圖中是液態光遭遇障礙物時的情景。| Polytechnique Montreal

液態光不穩定,光子最終會逃逸出去。正是這個會泄漏出光子的牢籠讓物理學家得以研究黑洞是如何隨時間演化的。

2020年諾貝爾物理學獎得主羅傑·彭羅斯提出理論認為,旋轉的黑洞會失去能量,並逐漸減速。巴黎索邦大學的物理學家 Maxime Jacquet 則用電磁極化子來驗證這個想法是否正確。他表示,天體物理學無法做到這一點,但用電磁極化子模擬黑洞的實驗可以,這是從實驗到真實黑洞的一個飛躍。


永不衰變的磁振子

如果准粒子可以衰變,它最終一定會衰變。例如,一種叫做磁振子(Magnon)的准粒子可以衰變成另外兩個磁振子,只要這些生成粒子的能量不大於原來的磁振子。磁振子是晶格中電子自旋結構集體激發的准粒子,可以看作是量化的自旋波。它們自旋為1,服從玻色子的行為。


動畫展示了電子自旋波在反鐵磁材料中傳播,其中鄰近的原子(球)有相反的自旋。當一個合適波長的光子或光粒子(金球)撞擊一個原子並擾亂它的自旋時,這種擾動就像水中的漣漪一樣擴散開來。| SLAC National Accelerator Laboratory

然而,一般准粒子相當穩定,這大概有兩個原因:首先它們出現在溫度非常低的系統中,所以一開始能量就很低;而且准粒子之間相互作用很弱,很少有擾動觸發它們發生衰變。


如果系統中存在很多擾動,准粒子是否就更容易發生衰變呢?物理學家們原本天真地這樣認為。但哈佛大學的凝聚態物理學家 Ruben Verresen 用研究顛覆了這一觀點。


在2019年發表的一篇論文中,Verresen和同事們描述了他們如何從理論上模擬准粒子衰變,然後逐漸增加准粒子之間相互作用的強度,看看會發生什麼。起初,准粒子確實如預期的那樣衰變得更快。但接着令人驚訝的是,當相互作用非常強時,准粒子轉而變得穩定,它們的壽命變得無限長。


研究小組隨後用計算機模擬了一種超冷磁體的行為,結果確實看到了不會發生衰變的磁振子。這增進了物理學家對具有強烈相互作用的准粒子的理解,可以幫助解釋磁振子的一些令人困惑的特徵。這些永不衰變的磁振子不僅僅是理論構想,而是在自然界中實現的。




各種奇特的准粒子。| Atoms and Sporks

研究結果表明,准粒子比人們曾經以為的要強大得多。粒子和准粒子之間的界線變得模糊。Verresen 甚至認為,兩者之間沒有什麼根本區別。


准粒子產生於許多粒子的組合。但我們所說的基本粒子,如夸克、光子和電子等,可能並不像想象的那麼基本。一些物理學家懷疑,這些看似基本的粒子也同樣是演生出來的——儘管沒有人能確切指出,它們是從什麼當中演生出來的。


畢竟到目前為止,我們還沒有一個基本理論來說明電子、光子等粒子到底是如何產生的,很可能存在一個更大的框架將一切統一起來。在這個大框架下,我們認為的基本粒子可能並不是基本的,而是某種其他理論中的准粒子。(編譯:烏鴉少年/果殼網)

參考文獻

[1]https://www.quantamagazine.org/like-magic-physicists-conjure-curious-quasiparticles-20210324/

[2]Giovanni Lerario et al. Room-temperature superfluidity in a polariton condensate. Nature Physics (2017). DOI: 10.1038/NPHYS4147


台長: 聖天使

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