準粒子描述的是一類自發(fā)產(chǎn)生的、行為和特點類似粒子的物理實體。準粒子不斷被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)象也一個比一個更奇異。下面我們就來介紹一些最為奇特和最具潛在應(yīng)用的準粒子。

哈里·金（Harry Kim） 是美國航海家號星際飛船上的一名軍官，他在另一個世界中醒來，用一束極化子(polaron)彎曲了時空連續(xù)體。聽起來像是科幻小說？對，但不全是。

“星際迷航常常借用一些真實準粒子的名字，然后賦予它們一些神奇的特性。”德克薩斯州萊斯大學(xué)的物理學(xué)家道格拉斯·納泰爾森(Douglas Natelson)說。他的工作是創(chuàng)造真實存在的準粒子。

準粒子是粒子的一種。17個“基本”粒子被認為是所有物質(zhì)的組成部分，準粒子雖被擋在基本粒子的門外，卻是從這些基本粒子間的復(fù)雜相互作用中出現(xiàn)的。物理學(xué)家可以把由大量粒子組成的固體、液體或等離子體置于極端的溫度和壓力下，并將此條件下的系統(tǒng)描述為幾個“魯棒的、類似粒子的”實體。出現(xiàn)的準粒子可以非常穩(wěn)定，具有質(zhì)量和電荷等完全定義的性質(zhì)。

例如，極化子是在1933年由列夫·朗道(Lev Landau)發(fā)現(xiàn)的，它客串了1995年的《星際迷航：旅行者》。當(dāng)一些電子被困在晶體中時，極化子就出現(xiàn)了。每個電子和它周圍的所有粒子之間的吸引和排斥作用“修飾”了電子，使它表現(xiàn)得像一個質(zhì)量更大的準粒子。

在過去幾十年里主導(dǎo)研究的其他類型的凝聚態(tài)物質(zhì)中，事情開始變得非常奇怪。研究人員可以創(chuàng)造出具有任意精確分數(shù)倍電子電荷或自旋（一種內(nèi)稟角動量）的準粒子。這些奇特的特性是如何產(chǎn)生的，目前還不清楚。馬里蘭大學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)家桑卡爾·達斯·薩爾瑪(Sankar Das Sarma)說：“這簡直就像魔法。”

通過直覺、有根據(jù)的猜測和計算機模擬，凝聚態(tài)物理學(xué)家已經(jīng)能夠更好地計算出哪些準粒子在理論上是可能的。與此同時，在實驗室里，隨著物理學(xué)家將新材料推向新的極端，準粒子的世界迅速發(fā)展，變得越來越奇特。納泰爾森說：“這確實是一項杰出的智力成就?！?/p>

最近的發(fā)現(xiàn)包括π子(pi-ton)，不可移動的分形子(fracton)和扭曲的褶皺子(wrinklon)。牛津大學(xué)的理論凝聚態(tài)物理學(xué)家史蒂夫·西蒙說：“我們現(xiàn)在考慮的準粒子的性質(zhì)是我們以前做夢都沒想過的。”

下面是一些最為奇怪和有潛在應(yīng)用的準粒子。

用馬約拉納子進行量子計算

最早發(fā)現(xiàn)的準粒子是“空穴”(hole)，它的概念很簡單，就是在本該存在電子的位置沒有電子。二十世紀四十年代的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，空穴可以像帶正電的粒子一樣在固體中跳來跳去。

更奇怪的、也更有用處的是假想的馬約拉納準粒子，它有一種分裂的特性：它同時是半個電子和半個空穴?！熬褪沁@么瘋狂?！边_斯·薩爾瑪說。

2010年，達斯·薩爾瑪和他的合作者認為，馬約拉納準粒子可以用來制作量子計算機。當(dāng)電子和空穴在對方周圍移動時，它們就能存儲信息，就像將圖案編入兩根繩子。不同擰繩子的方法對應(yīng)于1，0以及1和0的疊加，它們是量子計算中的比特。

到目前為止，由于大多數(shù)粒子的量子疊加狀態(tài)在高溫或與其他粒子碰撞時會失效，所以建造量子計算機的實驗都遇到了困難。馬約拉納準粒子則不是這樣。它們不尋常的成分賦予它們零能量和零電荷的特性，這理論上允許它們存在于某種超導(dǎo)體的深處。超導(dǎo)體在導(dǎo)電時具有電阻為零的特性，那里不可能存在其他粒子，從而形成一個“間隙”，這樣馬約拉納子就不可能衰變。“超導(dǎo)間隙保護了馬約拉納子?！边_斯·薩爾馬說——至少在理論上是這樣。

自2010年以來，實驗學(xué)家們一直在競相使用超導(dǎo)體、納米線和磁場的復(fù)雜組合來制造真正的馬約拉納準粒子。2018年，一組研究人員在《自然》雜志上報告說，他們觀察到了馬約拉納子的關(guān)鍵特征。但外界專家對數(shù)據(jù)分析的某些方面提出了質(zhì)疑，2021年3月早些時候，這篇論文被撤回。

想象出一個可能的準粒子是一回事，在接近絕對零度的實驗中觀察到它又是另一回事，樣品的每個原子都要待在正確的位置，微小的雜質(zhì)就能毀掉一切。薩爾瑪并沒有被嚇倒。“我向你保證，馬約拉納子將會被觀測到，因為它的理論是嶄新的。這是一個工程問題；這不是物理問題?！?/p>

用極化激元構(gòu)造黑洞

準粒子的世界正變得越來越龐大，一系列不同尋常的特征給物理學(xué)家提供了可以建造各種系統(tǒng)的工具箱。這些系統(tǒng)可以是很難或者根本不可能觸及的，比如說黑洞。

巴黎索邦大學(xué)卡斯特勒-布羅塞爾實驗室的馬克西姆·雅克(Maxime Jacquet)說：“有了這些類似物，我們便想去探索我們用手無法觸及的物理現(xiàn)象。”

宇宙中某些地方引力變得非常強，以至于光也無法逃脫，這就是黑洞。你可以模擬一個簡單的黑洞：把浴缸里的塞子拔出來，看著水順著排水口打旋。太靠近排水管的水波不可避免地會被吸入漩渦。雅克和他的合作者用極化激元進行了更好的模擬。

旋轉(zhuǎn)的極化激元流體類比旋轉(zhuǎn)的黑洞。第一張圖顯示了不同位置的流體密度，中間較暗區(qū)域的邊緣就像黑洞的事件視界。第二張圖中，流體的相位圖顯示了它的渦流。

極化激元可以看成是物質(zhì)和光的混合體。研究人員用兩個反射鏡將光子困在一個籠子里，籠子里也有一個激子(exciton)，激子本身是一種準粒子，由一對相互環(huán)繞的電子和空穴組成（不同于馬約拉納準粒子，激子是在同一時間在同一地點的半個電子和半個空穴。）光子在反射鏡之間來回反彈大約一百萬次后才能逃逸出去，當(dāng)它反彈時，光子與激子混合形成一個極化激元。許多光子和激子以這種方式被囚禁起來并結(jié)合在一起，這些極性子的行為就像液態(tài)光（liquid light）一樣，沒有摩擦，也不會散射。研究人員設(shè)計了這些極化激元的流動來模擬光在黑洞中的運動。

液態(tài)光不穩(wěn)定，并且光子最終會逃逸出去。正是這個會漏的籠子讓雅克研究黑洞是如何隨時間演化的。諾貝爾獎得主、數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）提出一個理論，他認為旋轉(zhuǎn)的黑洞會失去能量并逐漸減速；雅克計劃用極性子來驗證這一觀點。

“沒有人能用天體物理學(xué)告訴你這一點，但我們可以。”雅克說，他承認，這是從實驗室到實際黑洞的一個“飛躍”。

永不衰變的磁振子

如果準粒子可以衰變，它最終一定會衰變。例如，一個磁振子——一個由在物質(zhì)中運動的磁場組成的準粒子——可以衰變?yōu)榱硗鈨蓚€磁振子，只要這些產(chǎn)物的能量不大于原始磁振子的能量。

然而，準粒子是相當(dāng)穩(wěn)定的，大概有兩個原因：它們是從溫度非常低的系統(tǒng)中產(chǎn)生的，因此它們一開始幾乎沒有能量，而且它們之間的相互作用很弱，因此很少有擾動觸發(fā)它們衰變。哈佛大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家魯本·弗雷森（Ruben Verresen）說：“當(dāng)存在大量的推力和拉力時，人們天真地認為衰變只會更快發(fā)生?！?/p>

但弗雷森的研究卻顛覆了這一觀點。在2019年發(fā)表的一篇論文中，他和他的同事描述了他們?nèi)绾螐睦碚撋夏M衰變的準粒子，然后逐漸增強它們之間的相互作用強度，看看發(fā)生了什么。一開始，準粒子衰變得更快，正如預(yù)期的那樣。但是，讓弗雷森驚訝的是，當(dāng)相互作用的強度變得非常強時，準粒子又反彈回來。他說：“突然你又有了一個準粒子，它具有無限長的壽命?！?/p>

研究小組隨后進行了計算機模擬，探索了超冷磁鐵的行為，他們看到不會發(fā)生衰變的磁振子。他們表明，他們對強相互作用準粒子的新理論，解釋了2017年磁振子實驗中一系列令人費解的現(xiàn)象。這些永恒的磁振子不僅僅是一個簡潔的理論，而是在自然界中實現(xiàn)的。

研究結(jié)果表明，準粒子可能比研究人員曾經(jīng)認為的要強大得多。粒子和準粒子之間的界線變得模糊了。“我看不到根本性的區(qū)別。”弗雷森說。

準粒子是由許多粒子排列而成的。但我們所稱的基本粒子，如夸克、光子和電子，可能并不像我們想象的那么基本。一些物理學(xué)家懷疑這些表面上基本的粒子也是一種集體行為中演生（emergent）出來的——盡管從具體的情況來看，沒有人能這么說。

“我們不知道電子、光子等實際產(chǎn)生的基本理論。我們相信有一些統(tǒng)一的框架?！奔又荽髮W(xué)圣巴巴拉分校研究物質(zhì)量子態(tài)的理論家利昂·巴倫茨(Leon Balents)說?！拔覀冋J為的基本粒子可能不是基本粒子；它們是其他理論的準粒子?！?/p>

原文標題：頂著“粒子”的名頭，我到底是誰？

文章出處：【微信公眾號：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯:haq