五种“并不存在”却能改变世界的粒子

2016年10月16日09:35  来源:科技日报
 

粒子指能以自由状态存在的最小物质组分,包括电子、中子等。现代物理学的奠基石——物理标准模型从本质上说就是一个粒子家族的“家谱”,其成员大家耳熟能详;最后展露“芳容”的希格斯玻色子,更是一面世就受到各路科学家的追捧。

但还有一类同样重要的粒子却乏人问津。当然,这也是可以理解的,因为这些“准粒子”并非真实存在,但它们的独特物理性质却足以变革现代科技。英国《新科学家》杂志在近日的报道中,为我们列出了5种“并不存在”却能改变世界面貌的准粒子。

声子:电动牛仔

2012年,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)发现了希格斯玻色子,它是其他粒子的质量来源。至此,62种基本粒子已经全部被发现,粒子物理学的标准模型也得以完善。

但如果没有声子(phonon),这一切不可能发生。

声子的概念是在研究晶格振动过程中发展起来的。同济大学声子学与热能科学中心主任李保文曾解释称,声子并不是真正的粒子,而是一种准粒子,是量子化的晶格振动。之所以称之为声子,跟“声音”的本质是物体的“振动”有关,实际上,声子的希腊文就是声音的意思。

声子这一名称由前苏联物理学家伊戈尔·塔姆于1932年首次提出。他指出,正如光和电子对应一样,可以把声波与我们称之为“声子”的某些粒子联系起来。在固体中,尤其是在半导体和绝缘体中,“热”通过晶格振动来传导,也就是说,“声子”是热的载体。

在常温下,声子是准粒子,固体材料的热传导主要由声子来实现。但在极低温度下,这些准粒子“化身”为一群“牛仔”,驱赶着电子组成的“牛群”。这些电子的行动整齐划一,活动时电阻几乎为零,这便是低温超导的原理。

正是超导磁铁制造的巨大电磁场,让质子在LHC的大型圆形轨道内弯曲前行。而在核磁共振成像(MRI)扫描仪中,这些超导磁铁“变身”为指挥,引导人体组织内的氧原子“跳舞”,释放出可以追踪的无线电信号。另外,在最近方兴未艾的热电材料领域,声子也扮演着重要角色。这些热电材料可将热能转化为电能,也有望实现科学家们一直以来的梦想:将汽车引擎废热再利用,为电子产品供电。

磁振子:自旋之王

自从塔姆提出“声子”概念后,科学家们逐步在固体内部发现了很多这样的准粒子。另一个此类粒子源于自旋,这一量子属性是磁学的基础。自旋就像原子上的一支箭,指向南或北;当物质内的所有自旋对齐时,就出现了一个磁场。但当这种自旋状态不断翻转时,就造出了一种波效应,科学家们将这种效应称为“磁振子(magnon)”。

普通电脑和智能手机存储信息需要电力,设备断电信息则无从获取。如果用了磁振子,信息存储将完全依靠磁场,无需电力,这就是所谓的自旋电子学(Spintronics)。这种方法的优势在于,它耗电很少——耗电量过大是晶体管芯片微型化遇到的主要问题之一。如果用电磁波来控制磁振子,那么计算机完全可以摆脱电线和电力的束缚。

激子:植物的秘密武器

地球一个小时内从太阳获取的能量,比全人类一年消耗的能量还要多。植物扮演了能量捕手的角色,而激子则是植物执行这一任务的“秘密武器”。

在任何物质中,电子以不同的能级存在。当一个光子照射到物体表面时,它会将电子激发到更高能级,留下一个空穴。电子带负电,空穴带正电,它们之间的库仑吸引作用,在一定条件下会让它们在空间上束缚在一起,这样形成的复合体被称为激子(excitons)。

植物的叶片中含有捕光蛋白,捕光蛋白内的电子吸收光子获得能量会被激发,离开自己的位置,留下一个空穴,电子—空穴对形成的激子,会在植物的光合作用生产线上四处飘荡。

当激子到达需要它们的特定位置,电子跟空穴重组并释放出能量,植物利用这些能量将水分解为氢和氧气。

这一光合作用是地球生命的根源,人类一直期待可以在太阳能电池内模拟这一反应。2013年,美国麻省理工学院研究人员找到了直接给激子“拍照”的方法,朝最终目标迈出了关键一步。

另据美国《科学》杂志网络版2009年报道,美国加州大学圣迭戈分校物理教授莱昂尼德·布托夫及其同事已经制造出数个基于激子的晶体管。这些晶体管有望成为新型电脑的基本模块,它们所装配出的电路也成为世界上第一个使用激子的运算装置。

马约拉纳费米子:量子英雄

如果你想拥有一台真正的多进程电脑,可以向量子计算机求助。仍处于萌芽阶段的量子计算机利用了微妙且具有不确定性的量子态,可以对同一问题同时给出多个解。只要外界环境不去打扰量子计算机“施魔法”,它就可以稳定运行。

马约拉纳准粒子可以为量子运算提供“量子比特(qubits)”,使量子计算机更强大。

普通计算机内的信息存储在“比特(bit)”内,每一比特都被编码成0或1;量子计算机内的信息比特可同时以0和1存在,但这种叠加状态非常脆弱。为此,物理学家们一直在寻找使量子比特更稳定的方法。

上世纪30年代,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳预言,肯定有一种粒子,它和它的反粒子是一样的。“马约拉纳粒子”的概念诞生了,它没有质量,不带电,是自己的反粒子,且总是成双成对出现。马约拉纳粒子由于具有特殊的性质,呈电中性,很少与环境相互作用,因此成为一种理想的量子信息编码载体。

由于马约拉纳粒子总是成双成对出现,意味着它们包含的信息都有两个副本,因此从理论上说,马约拉纳量子比特对外界噪音有更强的耐受性。但据荷兰QuTech研究所的阿提拉·盖赖什迪介绍,这些量子比特存在于巨大的电子效应背景下,要想把马约拉纳准粒子的信息提取出来非常需要技巧。

今年6月份,上海交通大学贾金锋科研团队在《物理评论快报》上撰文指出,他们通过一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特殊人工薄膜,已在实验室里成功捕捉到了马约拉纳费米子,这不仅有助于量子计算机的研制,还有助于进一步揭开暗物质的谜团。

外尔费米子:双面娇娃

“外尔费米子(Weyl fermions)”就像电子羞涩的“表亲”。1929年德国科学家外尔(H. Weyl)提出:存在一种无“质量”的可以分为左旋和右旋两种不同“手性”的电子,这种电子被称为“外尔费米子”。

外尔费米子具有两个关键特性:无质量而有手性。没有质量意味着,它可以高速移动,同时它对与其手性不符的干扰具有极高的抵抗力,这就使它很难散射:两束不同类型的外尔费米子流可以靠得很近却不相互作用。有人提出,这些属性使它可以成为超越自旋电子学运算能力的计算机的基础。

但80多年来,科学家一直没有在实验中观测到外尔费米子,具有外尔费米子特性的半金属材料也是最近才“现身”。去年7月16日,《科学》杂志在线发表了美国普林斯顿大学物理学家扎伊德·哈桑团队的实验成果。该团队宣布,他们在“外尔半金属”中发现了“外尔费米子”;7月20日,中科院物理所官网发布消息称,由该所方忠研究员率领的科研团队,首次成功在TaAs晶体中发现了外尔费米子。所以,“外尔电子学(Weyltronics)”时代已出现在地平线上,但还有很长的路要走。

(责编:赵英梓、林露)

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