粒子指能以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組分,包括電子、中子等?，F(xiàn)代物理學(xué)的奠基石——物理標(biāo)準(zhǔn)模型從本質(zhì)上說(shuō)就是一個(gè)粒子家族的“家譜”,其成員大家耳熟能詳;最后展露“芳容”的希格斯玻色子,更是一面世就受到各路科學(xué)家的追捧。
但還有一類同樣重要的粒子卻乏人問(wèn)津。當(dāng)然,這也是可以理解的,因?yàn)檫@些“準(zhǔn)粒子”并非真實(shí)存在,但它們的獨(dú)特物理性質(zhì)卻足以變革現(xiàn)代科技。英國(guó)《新科學(xué)家》雜志在近日的報(bào)道中,為我們列出了5種“并不存在”卻能改變世界面貌的準(zhǔn)粒子。
聲子:電動(dòng)牛仔
2012年,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子,它是其他粒子的質(zhì)量來(lái)源。至此,62種基本粒子已經(jīng)全部被發(fā)現(xiàn),粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型也得以完善。
但如果沒(méi)有聲子(phonon),這一切不可能發(fā)生。
聲子的概念是在研究晶格振動(dòng)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。同濟(jì)大學(xué)聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心主任李保文曾解釋稱,聲子并不是真正的粒子,而是一種準(zhǔn)粒子,是量子化的晶格振動(dòng)。之所以稱之為聲子,跟“聲音”的本質(zhì)是物體的“振動(dòng)”有關(guān),實(shí)際上,聲子的希臘文就是聲音的意思。
聲子這一名稱由前蘇聯(lián)物理學(xué)家伊戈?duì)?塔姆于1932年首次提出。他指出,正如光和電子對(duì)應(yīng)一樣,可以把聲波與我們稱之為“聲子”的某些粒子聯(lián)系起來(lái)。在固體中,尤其是在半導(dǎo)體和絕緣體中,“熱”通過(guò)晶格振動(dòng)來(lái)傳導(dǎo),也就是說(shuō),“聲子”是熱的載體。
在常溫下,聲子是準(zhǔn)粒子,固體材料的熱傳導(dǎo)主要由聲子來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在極低溫度下,這些準(zhǔn)粒子“化身”為一群“牛仔”,驅(qū)趕著電子組成的“牛群”。這些電子的行動(dòng)整齊劃一,活動(dòng)時(shí)電阻幾乎為零,這便是低溫超導(dǎo)的原理。
正是超導(dǎo)磁鐵制造的巨大電磁場(chǎng),讓質(zhì)子在LHC的大型圓形軌道內(nèi)彎曲前行。而在核磁共振成像(MRI)掃描儀中,這些超導(dǎo)磁鐵“變身”為指揮,引導(dǎo)人體組織內(nèi)的氧原子“跳舞”,釋放出可以追蹤的無(wú)線電信號(hào)。另外,在最近方興未艾的熱電材料領(lǐng)域,聲子也扮演著重要角色。這些熱電材料可將熱能轉(zhuǎn)化為電能,也有望實(shí)現(xiàn)科學(xué)家們一直以來(lái)的夢(mèng)想:將汽車引擎廢熱再利用,為電子產(chǎn)品供電。
磁振子:自旋之王
自從塔姆提出“聲子”概念后,科學(xué)家們逐步在固體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了很多這樣的準(zhǔn)粒子。另一個(gè)此類粒子源于自旋,這一量子屬性是磁學(xué)的基礎(chǔ)。自旋就像原子上的一支箭,指向南或北;當(dāng)物質(zhì)內(nèi)的所有自旋對(duì)齊時(shí),就出現(xiàn)了一個(gè)磁場(chǎng)。但當(dāng)這種自旋狀態(tài)不斷翻轉(zhuǎn)時(shí),就造出了一種波效應(yīng),科學(xué)家們將這種效應(yīng)稱為“磁振子(magnon)”。
普通電腦和智能手機(jī)存儲(chǔ)信息需要電力,設(shè)備斷電信息則無(wú)從獲取。如果用了磁振子,信息存儲(chǔ)將完全依靠磁場(chǎng),無(wú)需電力,這就是所謂的自旋電子學(xué)(Spintronics)。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于,它耗電很少——耗電量過(guò)大是晶體管芯片微型化遇到的主要問(wèn)題之一。如果用電磁波來(lái)控制磁振子,那么計(jì)算機(jī)完全可以擺脫電線和電力的束縛。
激子:植物的秘密武器
地球一個(gè)小時(shí)內(nèi)從太陽(yáng)獲取的能量,比全人類一年消耗的能量還要多。植物扮演了能量捕手的角色,而激子則是植物執(zhí)行這一任務(wù)的“秘密武器”。
在任何物質(zhì)中,電子以不同的能級(jí)存在。當(dāng)一個(gè)光子照射到物體表面時(shí),它會(huì)將電子激發(fā)到更高能級(jí),留下一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電,空穴帶正電,它們之間的庫(kù)侖吸引作用,在一定條件下會(huì)讓它們?cè)诳臻g上束縛在一起,這樣形成的復(fù)合體被稱為激子(excitons)。
植物的葉片中含有捕光蛋白,捕光蛋白內(nèi)的電子吸收光子獲得能量會(huì)被激發(fā),離開自己的位置,留下一個(gè)空穴,電子—空穴對(duì)形成的激子,會(huì)在植物的光合作用生產(chǎn)線上四處飄蕩。
當(dāng)激子到達(dá)需要它們的特定位置,電子跟空穴重組并釋放出能量,植物利用這些能量將水分解為氫和氧氣。
這一光合作用是地球生命的根源,人類一直期待可以在太陽(yáng)能電池內(nèi)模擬這一反應(yīng)。2013年,美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員找到了直接給激子“拍照”的方法,朝最終目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。
另?yè)?jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版2009年報(bào)道,美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校物理教授萊昂尼德?布托夫及其同事已經(jīng)制造出數(shù)個(gè)基于激子的晶體管。這些晶體管有望成為新型電腦的基本模塊,它們所裝配出的電路也成為世界上第一個(gè)使用激子的運(yùn)算裝置。
馬約拉納費(fèi)米子:量子英雄
如果你想擁有一臺(tái)真正的多進(jìn)程電腦,可以向量子計(jì)算機(jī)求助。仍處于萌芽階段的量子計(jì)算機(jī)利用了微妙且具有不確定性的量子態(tài),可以對(duì)同一問(wèn)題同時(shí)給出多個(gè)解。只要外界環(huán)境不去打擾量子計(jì)算機(jī)“施魔法”,它就可以穩(wěn)定運(yùn)行。
馬約拉納準(zhǔn)粒子可以為量子運(yùn)算提供“量子比特(qubits)”,使量子計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大。
普通計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息存儲(chǔ)在“比特(bit)”內(nèi),每一比特都被編碼成0或1;量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息比特可同時(shí)以0和1存在,但這種疊加狀態(tài)非常脆弱。為此,物理學(xué)家們一直在尋找使量子比特更穩(wěn)定的方法。
上世紀(jì)30年代,意大利理論物理學(xué)家埃托雷?馬約拉納預(yù)言,肯定有一種粒子,它和它的反粒子是一樣的?！榜R約拉納粒子”的概念誕生了,它沒(méi)有質(zhì)量,不帶電,是自己的反粒子,且總是成雙成對(duì)出現(xiàn)。馬約拉納粒子由于具有特殊的性質(zhì),呈電中性,很少與環(huán)境相互作用,因此成為一種理想的量子信息編碼載體。
由于馬約拉納粒子總是成雙成對(duì)出現(xiàn),意味著它們包含的信息都有兩個(gè)副本,因此從理論上說(shuō),馬約拉納量子比特對(duì)外界噪音有更強(qiáng)的耐受性。但據(jù)荷蘭QuTech研究所的阿提拉?蓋賴什迪介紹,這些量子比特存在于巨大的電子效應(yīng)背景下,要想把馬約拉納準(zhǔn)粒子的信息提取出來(lái)非常需要技巧。
今年6月份,上海交通大學(xué)賈金鋒科研團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》上撰文指出,他們通過(guò)一種由拓?fù)浣^緣體材料和超導(dǎo)體材料復(fù)合而成的特殊人工薄膜,已在實(shí)驗(yàn)室里成功捕捉到了馬約拉納費(fèi)米子,這不僅有助于量子計(jì)算機(jī)的研制,還有助于進(jìn)一步揭開暗物質(zhì)的謎團(tuán)。
外爾費(fèi)米子:雙面嬌娃
“外爾費(fèi)米子(Weyl fermions)”就像電子羞澀的“表親”。1929年德國(guó)科學(xué)家外爾(H. Weyl)提出:存在一種無(wú)“質(zhì)量”的可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”的電子,這種電子被稱為“外爾費(fèi)米子”。
外爾費(fèi)米子具有兩個(gè)關(guān)鍵特性:無(wú)質(zhì)量而有手性。沒(méi)有質(zhì)量意味著,它可以高速移動(dòng),同時(shí)它對(duì)與其手性不符的干擾具有極高的抵抗力,這就使它很難散射:兩束不同類型的外爾費(fèi)米子流可以靠得很近卻不相互作用。有人提出,這些屬性使它可以成為超越自旋電子學(xué)運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。
但80多年來(lái),科學(xué)家一直沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到外爾費(fèi)米子,具有外爾費(fèi)米子特性的半金屬材料也是最近才“現(xiàn)身”。去年7月16日,《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家扎伊德?哈桑團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)成果。該團(tuán)隊(duì)宣布,他們?cè)凇巴鉅柊虢饘佟敝邪l(fā)現(xiàn)了“外爾費(fèi)米子”;7月20日,中科院物理所官網(wǎng)發(fā)布消息稱,由該所方忠研究員率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì),首次成功在TaAs晶體中發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子。所以,“外爾電子學(xué)(Weyltronics)”時(shí)代已出現(xiàn)在地平線上,但還有很長(zhǎng)的路要走。
摘自 科技日?qǐng)?bào)
