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它是粒子?不是粒子?哦,是准粒子!

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发表于 2021-6-10 18:12:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
准粒子不同于通常所说的基本粒子,而是类似于基本粒子的物理实体,从大量基本粒子的相互作用中产生。不过,粒子和准粒子之间的界线正变得模糊,那些所谓的基本粒子可能同样是演生出来的,或许存在一个更大的框架将它们统一起来。


粒子物理学标准模型中的 17 种基本粒子。准粒子不属于基本粒子。| Fermilab Visual Media Services.
如何说到创造新的粒子,粒子物理学家想到的或许是,在越来越强大的对撞机中轰击已有粒子,希望能从中碰撞出未知粒子。凝聚态物理学家考虑的则可能是,将材料置于不同环境下,比如极端低温,或者扁平的二维平面,创造出具有新奇性质的准粒子。
根据粒子物理学的标准模型,17 种基本粒子组成了我们所在世界的一切物质。那么什么是准粒子(quasiparticle)呢?准粒子也是一种粒子,不过准粒子不属于基本粒子,而是从大量基本粒子的复杂相互作用中产生,表现得像是一个粒子一样
物理学家可以将由大量粒子组成的固体、液体或等离子体,置于极端的温度和压强下,然后将整个系统描述为一些类似粒子的实体,也就是准粒子。准粒子可以相当稳定,并和基本粒子一样,具有诸如质量、电荷等固有性质。


准粒子不是基本粒子,而是从大量基本粒子的复杂相互作用中产生。
固体中一种常见的准粒子是声子(phonon)。在晶体中,原子规则排布形成三维晶格结构,它们彼此之间像是由弹簧连接起来一样,会发生集体振荡,携带着热量和声音在材料中传播。声子就是这种振荡模式对应的准粒子。在固体材料中,电子决定材料的导电性,声子则决定声音在材料中传播的速度。正如光子是量子化的电磁波一样,我们可以将声子看作是量子化的声波。


声子是一种最常见的准粒子。| NIST
再比如,朗道在 1933 年提出一种叫作极化子(polaron)的准粒子。当电子在固体材料中运动时,会吸引周围的正电荷而排斥负电荷,导致原子偏离原来的平衡位置,以有效地屏蔽电子,这使得电子表现得更像是一个具有更大有效质量的准粒子,也就是极化子。


极化子示意图。| Wikipedia
在凝聚态物理中,还有其他更为奇特的准粒子。例如,所有的基本粒子可以根据其自旋特性分为两种类型:一种是半整数自旋的费米子,比如电子,另一种是整数自旋的玻色子,比如光子。但一种叫做任意子(anyon)的准粒子却可以超越这个限制,它们既不同于费米子,也不同于玻色子。(相关介绍参见《在微型粒子对撞机中寻找任意子 + 文小刚答疑 | 众妙之门》)
物理学家简直可以像拥有魔法一样,创造出具有任意精确分数倍电子电荷或自旋的准粒子,即便我们还不清楚准粒子为何会有这种奇特的性质。通过直觉猜测、理论推导和计算机模拟,凝聚态物理学家已经能够很好地计算出,哪些准粒子理论上可能存在。与此同时,在实验室里,实验物理学家将新材料置于更极端的环境,使得准粒子家族迅速发展壮大,并变得越来越奇异。
发现准粒子的过程就像是一项卓越的智力挑战。最近发现的准粒子包括 π 子(pi-ton)、不可移动的分形子(fracton)和扭曲的褶皱子(wrinklon)等。牛津大学凝聚态理论物理学家 Steve Simon 说:" 我们现在考虑的准粒子具有以前从未真正梦想过的特性。"
下面是一些最令人好奇,也可能最为有用的准粒子。
看不见的马约拉纳粒子



最早发现的准粒子之一是 " 空穴 ",即在本应存在电子的地方没有电子。上世纪 40 年代,物理学家发现,固体内部的空穴会像带正电的粒子一样四处跳跃。而一种更为奇特、可能也非常有用的准粒子是马约拉纳费米子(Majorana fermion),理论上,马约拉纳粒子的反粒子就是其自身。但从粒子物理学的角度,至今仍未发现这种粒子,而在凝聚态物理中,它同时是半个电子和半个空穴,可以作为一种准粒子。
2010 年,美国马里兰大学的物理学家 Sankar Das Sarma 与合作者认为,马约拉纳粒子可以用来制造量子计算机。当电子和空穴围绕着彼此移动时,它们就能存储信息,就像用两根绳子编织成图案一样。不同的拧绳子方法对应着 0、1,以及 0 和 1 的叠加,它们是量子计算中的比特。
迄今为止,建造有效量子计算机的努力一直步履维艰,因为大多数粒子的量子叠加态在温度过高或与其他粒子碰撞时会分崩离析。但马约拉纳准粒子没有这种问题。
它们不同寻常的性质赋予了它自身零能量和零电荷的特性,从而在理论上允许它们存在于一种特定类型的超导体中。那里不可能存在其他粒子,这就产生了一个 " 间隙 ",使得马约拉纳粒子不可能衰变。也就是说,这个超导间隙保护着马约拉纳粒子。
自 2010 年以来,实验人员一直竞相利用超导体、纳米线和磁场的复杂组合,来构建真正的马约拉纳粒子。2018 年,一组研究人员在《自然》杂志上报告称,他们观察到了马约拉纳粒子的关键特征。但一些专家对部分数据分析提出了质疑,2021 年 3 月,这篇论文被撤回。
设想出一种可能的准粒子是一回事,在接近绝对零度的实验中观察到它则是另一回事。样品是由一个又一个原子组成,微小的杂质就可能破坏一切。但 Das Sarma 没有望而却步,他认为," 马约拉纳粒子一定会被观测到,因为它的理论是纯粹的。这只是一个工程问题,不是物理问题。"
用电磁极化子模拟黑洞




准粒子家族不断壮大,它们所具有的一系列不同寻常的特征为物理学家提供了丰富的武器,甚至可以用来模拟黑洞这样的系统,帮助我们探索无法触及的物理。
在宇宙中的一些区域,当引力强大到连光线都无法逃脱时,就会形成黑洞。通俗地说,黑洞附近的景象有点类似于浴缸拔掉塞子时的情景:水围绕着出水口旋转,在距离中心太近时,会不可避免地被吸入漩涡。不过,一种被称为极化子(polariton)的准粒子可以用来更好地模拟黑洞。




旋转的电磁极化子流体可以用来模拟旋转的黑洞。左侧图片显示不同区域的流体密度,中间黑暗区域的边缘就像是黑洞的事件视界。右侧的流体相位图显示了它的涡流。| Maxime Jacquet
极化子是一种类似于半光半物质的准粒子,当粒子模拟晶格被冷却到接近绝对零度时,会产生电磁极化子。在实验中,研究人员使用两面反射镜将一个光子困在笼中,笼子里还有一个激子(exciton)。激子也是一种准粒子,由一对相互绕转的电子和空穴组成,不过它与马约拉纳粒子不同,后者是一半电子、一半空穴同时存在于同一位置。


激子是由一对电子和空穴相互吸引而形成的准粒子。| Wikipedia
光子会在两片镜子之间来回反射大约 100 万次,然后逃逸出去,在反射过程中,光子会与激子混合,形成极化子。许多光子和激子通过这种方式被禁锢起来,并结合形成极化子,这些电磁极化子总体上表现得就像液态光(liquid light)一样,没有摩擦,且不散射。研究人员设计电磁极化子的流动,来模拟光围绕黑洞的运动。


液态光是光和物质相互作用形成的超流体,可以表现出液体的行为。图中是液态光遭遇障碍物时的情景。| Polytechnique Montreal
液态光不稳定,光子最终会逃逸出去。正是这个会泄漏出光子的牢笼让物理学家得以研究黑洞是如何随时间演化的。
2020 年诺贝尔物理学奖得主罗杰 · 彭罗斯提出理论认为,旋转的黑洞会失去能量,并逐渐减速。巴黎索邦大学的物理学家 Maxime Jacquet 则用电磁极化子来验证这个想法是否正确。他表示,天体物理学无法做到这一点,但用电磁极化子模拟黑洞的实验可以,这是从实验到真实黑洞的一个飞跃。
永不衰变的磁振子




如果准粒子可以衰变,它最终一定会衰变。例如,一种叫做磁振子(Magnon)的准粒子可以衰变成另外两个磁振子,只要这些生成粒子的能量不大于原来的磁振子。磁振子是晶格中电子自旋结构集体激发的准粒子,可以看作是量化的自旋波。它们自旋为 1,服从玻色子的行为。




动画展示了电子自旋波在反铁磁材料中传播,其中邻近的原子 ( 球 ) 有相反的自旋。当一个合适波长的光子或光粒子 ( 金球 ) 撞击一个原子并扰乱它的自旋时,这种扰动就像水中的涟漪一样扩散开来。| SLAC National Accelerator Laboratory
然而,一般准粒子相当稳定,这大概有两个原因:首先它们出现在温度非常低的系统中,所以一开始能量就很低;而且准粒子之间相互作用很弱,很少有扰动触发它们发生衰变。
如果系统中存在很多扰动,准粒子是否就更容易发生衰变呢?物理学家们原本天真地这样认为。但哈佛大学的凝聚态物理学家 Ruben Verresen 用研究颠覆了这一观点。
在 2019 年发表的一篇论文中,Verresen 和同事们描述了他们如何从理论上模拟准粒子衰变,然后逐渐增加准粒子之间相互作用的强度,看看会发生什么。起初,准粒子确实如预期的那样衰变得更快。但接着令人惊讶的是,当相互作用非常强时,准粒子转而变得稳定,它们的寿命变得无限长。
研究小组随后用计算机模拟了一种超冷磁体的行为,结果确实看到了不会发生衰变的磁振子。这增进了物理学家对具有强烈相互作用的准粒子的理解,可以帮助解释磁振子的一些令人困惑的特征。这些永不衰变的磁振子不仅仅是理论构想,而是在自然界中实现的。


各种奇特的准粒子。| Atoms and Sporks
研究结果表明,准粒子比人们曾经以为的要强大得多。粒子和准粒子之间的界线变得模糊。Verresen 甚至认为,两者之间没有什么根本区别。
准粒子产生于许多粒子的组合。但我们所说的基本粒子,如夸克、光子和电子等,可能并不像想象的那么基本。一些物理学家怀疑,这些看似基本的粒子也同样是演生出来的——尽管没有人能确切指出,它们是从什么当中演生出来的。
毕竟目前为止,我们还没有一个基本理论来说明电子、光子等粒子到底是如何产生的,很可能存在一个更大的框架将一切统一起来。在这个大框架下,我们认为的基本粒子可能并不是基本的,而是某种其他理论中的准粒子。

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