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粒子指能以自由狀態存在的最小物質組分,包括電子、中子等。現代物理學的奠基石——物理標準模型從本質上說就是一個粒子家族的“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家的追捧。

但還有一類同樣重要的粒子卻乏人問津。當然,這也是可以理解的,因為這些“準粒子”并非真實存在,但它們的獨特物理性質卻足以變革現代科技。英國《新科學家》雜志在近日的報道中,為我們列出了5種“并不存在”卻能改變世界面貌的準粒子。

聲子:電動牛仔

2012年,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)發現了希格斯玻色子,它是其他粒子的質量來源。至此,62種基本粒子已經全部被發現,粒子物理學的標準模型也得以完善。

但如果沒有聲子(phonon),這一切不可能發生。

聲子的概念是在研究晶格振動過程中發展起來的。同濟大學聲子學與熱能科學中心主任李保文曾解釋稱,聲子并不是真正的粒子,而是一種準粒子,是量子化的晶格振動。之所以稱之為聲子,跟“聲音”的本質是物體的“振動”有關,實際上,聲子的希臘文就是聲音的意思。

聲子這一名稱由前蘇聯物理學家伊戈爾?塔姆于1932年首次提出。他指出,正如光和電子對應一樣,可以把聲波與我們稱之為“聲子”的某些粒子聯系起來。在固體中,尤其是在半導體和絕緣體中,“熱”通過晶格振動來傳導,也就是說,“聲子”是熱的載體。

在常溫下,聲子是準粒子,固體材料的熱傳導主要由聲子來實現。但在極低溫度下,這些準粒子“化身”為一群“牛仔”,驅趕著電子組成的“牛群”。這些電子的行動整齊劃一,活動時電阻幾乎為零,這便是低溫超導的原理。

正是超導磁鐵制造的巨大電磁場,讓質子在LHC的大型圓形軌道內彎曲前行。而在核磁共振成像(MRI)掃描儀中,這些超導磁鐵“變身”為指揮,引導人體組織內的氧原子“跳舞”,釋放出可以追蹤的無線電信號。另外,在最近方興未艾的熱電材料領域,聲子也扮演著重要角色。這些熱電材料可將熱能轉化為電能,也有望實現科學家們一直以來的夢想:將汽車引擎廢熱再利用,為電子產品供電。

磁振子:自旋之王

自從塔姆提出“聲子”概念后,科學家們逐步在固體內部發現了很多這樣的準粒子。另一個此類粒子源于自旋,這一量子屬性是磁學的基礎。自旋就像原子上的一支箭,指向南或北;當物質內的所有自旋對齊時,就出現了一個磁場。但當這種自旋狀態不斷翻轉時,就造出了一種波效應,科學家們將這種效應稱為“磁振子(magnon)”。

普通電腦和智能手機存儲信息需要電力,設備斷電信息則無從獲取。如果用了磁振子,信息存儲將完全依靠磁場,無需電力,這就是所謂的自旋電子學(Spintronics)。這種方法的優勢在于,它耗電很少——耗電量過大是晶體管芯片微型化遇到的主要問題之一。如果用電磁波來控制磁振子,那么計算機完全可以擺脫電線和電力的束縛。

激子:植物的秘密武器

地球一個小時內從太陽獲取的能量,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,而激子則是植物執行這一任務的“秘密武器”。

在任何物質中,電子以不同的能級存在。當一個光子照射到物體表面時,它會將電子激發到更高能級,留下一個空穴。電子帶負電,空穴帶正電,它們之間的庫侖吸引作用,在一定條件下會讓它們在空間上束縛在一起,這樣形成的復合體被稱為激子(excitons)。

植物的葉片中含有捕光蛋白,捕光蛋白內的電子吸收光子獲得能量會被激發,離開自己的位置,留下一個空穴,電子—空穴對形成的激子,會在植物的光合作用生產線上四處飄蕩。

當激子到達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能電池內模擬這一反應。2013年,美國麻省理工學院研究人員找到了直接給激子“拍照”的方法,朝最終目標邁出了關鍵一步。

另據美國《科學》雜志網絡版2009年報道,美國加州大學圣迭戈分校物理教授萊昂尼德?布托夫及其同事已經制造出數個基于激子的晶體管。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使用激子的運算裝置。

馬約拉納費米子:量子英雄

如果你想擁有一臺真正的多進程電腦,可以向量子計算機求助。仍處于萌芽階段的量子計算機利用了微妙且具有不確定性的量子態,可以對同一問題同時給出多個解。只要外界環境不去打擾量子計算機“施魔法”,它就可以穩定運行。

馬約拉納準粒子可以為量子運算提供“量子比特(qubits)”,使量子計算機更強大。

普通計算機內的信息存儲在“比特(bit)”內,每一比特都被編碼成0或1;量子計算機內的信息比特可同時以0和1存在,但這種疊加狀態非常脆弱。為此,物理學家們一直在尋找使量子比特更穩定的方法。

上世紀30年代,意大利理論物理學家埃托雷?馬約拉納預言,肯定有一種粒子,它和它的反粒子是一樣的。“馬約拉納粒子”的概念誕生了,它沒有質量,不帶電,是自己的反粒子,且總是成雙成對出現。馬約拉納粒子由于具有特殊的性質,呈電中性,很少與環境相互作用,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出現,意味著它們包含的信息都有兩個副本,因此從理論上說,馬約拉納量子比特對外界噪音有更強的耐受性。但據荷蘭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背景下,要想把馬約拉納準粒子的信息提取出來非常需要技巧。

今年6月份,上海交通大學賈金鋒科研團隊在《物理評論快報》上撰文指出,他們通過一種由拓撲絕緣體材料和超導體材料復合而成的特殊人工薄膜,已在實驗室里成功捕捉到了馬約拉納費米子,這不僅有助于量子計算機的研制,還有助于進一步揭開暗物質的謎團。

外爾費米子:雙面嬌娃

“外爾費米子(Weyl fermions)”就像電子羞澀的“表親”。1929年德國科學家外爾(H. Weyl)提出:存在一種無“質量”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“外爾費米子”。

外爾費米子具有兩個關鍵特性:無質量而有手性。沒有質量意味著,它可以高速移動,同時它對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運算能力的計算機的基礎。

但80多年來,科學家一直沒有在實驗中觀測到外爾費米子,具有外爾費米子特性的半金屬材料也是最近才“現身”。去年7月16日,《科學》雜志在線發表了美國普林斯頓大學物理學家扎伊德?哈桑團隊的實驗成果。該團隊宣布,他們在“外爾半金屬”中發現了“外爾費米子”;7月20日,中科院物理所官網發布消息稱,由該所方忠研究員率領的科研團隊,首次成功在TaAs晶體中發現了外爾費米子。所以,“外爾電子學(Weyltronics)”時代已出現在地平線上,但還有很長的路要走。

摘自 科技日報