物理學家證明存在二維粒子,稱為「任意子」

2021-01-07 騰訊網

今年,物理學家為我們提供了僅在二維中出現的第三類準粒子王國的早期觀點。

經過幾十年的自然界最小探索,物理學家終於找到了存在任何論點的證據。這些類粒子的物體最初是由理論家在1980年代初期預測的,僅在二維範圍內出現,然後僅在某些情況下出現-例如在接近絕對零的溫度和強磁場的存在下。

物理學家對任何事情都感到興奮,這不僅是因為他們的發現證實了數十年的理論工作,而且是出於實際原因。例如:Anyons是Microsoft努力構建可運行的量子計算機的核心。

今年帶來了兩個準粒子的確鑿確認。第一次是在4月,在巴黎高等師範學院的一組研究人員發表在《科學》封面上的一篇論文中。使用四年前提出的方法,物理學家通過微小的粒子對撞機發出了電子氣,以找出奇怪的行為,尤其是分數電荷,這種行為只有在周圍存在任何正激子時才會出現。第二個確認是在七月,當時印第安納州普渡大學的一個研究小組在蝕刻晶片上使用了實驗裝置,以篩選出可能掩蓋安永行為的相互作用。

麻省理工學院的物理學家弗蘭克·威爾澤克(Frank Wilczek)曾在1980年代初預測並命名任意子,他將第一篇論文歸功於這一發現,但表示第二篇論文使準粒子發光。他說:「華麗的工作使田野開花。」 任何子都不像普通的基本粒子;科學家將永遠無法將一個人與形成它的系統隔離開來。它們是準粒子,這意味著它們具有可測量的特性,例如粒子(例如位置,甚至是質量),但僅由於其他常規粒子的集體行為而可觀察到。(想想自然界中群體行為所形成的複雜的幾何形狀,例如成群飛行的鳥群或成群的魚遊動。)

已知的宇宙僅包含兩種基本粒子。一個是費米子家族,其中包括電子以及質子,中子和形成它們的夸克。費米子自成一體:沒有兩個子能同時處於相同的量子狀態。如果這些粒子不具有此屬性,那麼所有物質都可以簡單地崩潰到單個點。因為存在費米子,所以存在固體物質。

宇宙中其餘的粒子是玻色子,其中包括諸如光子(光和輻射的使者)和膠子(「膠合」在一起)的粒子。與費米子不同,兩個或多個玻色子可以同時處於相同狀態。

他們往往會聚在一起。正是由於這種聚集,我們才有了雷射器,它們是全部佔據相同量子態的光子流。 任何人都不適合任何一組。任何使物理學家特別興奮的是,它們表現出類似於粒子記憶的東西。如果一個費米子繞著另一個費米子運轉,它的量子態將保持不變。玻色子也是一樣。

任何人都不同。如果一個人繞著另一個移動,它們的集體量子態就會移動。在所有配偶返回到其原始狀態之前,可能需要旋轉三,甚至五或更多圈。波動的這種輕微變化就像是對旅行的記憶。此屬性使它們成為量子計算機的吸引人的對象,量子計算機依賴於眾所周知的易碎且容易出錯的量子狀態。Anyons提出了一種更健壯的數據存儲方式。

Wilczek指出,任何人都代表著一個完整的「王國」,其中包含許多具有異國風情的品種,可以在未來進行探索和利用。大約40年前,他在研究生院就開始對它們進行思考,當時他對證明只有兩種粒子存在的證據感到沮喪。

他設想了其他的東西,當被問及它們的其他特性或在哪裡找到這些奇怪的中間人時,他開玩笑地說,「隨便什麼都行」 —產生了這個名字。 他說,現在,新研究僅僅是個開始。展望未來,他認為任何時候都是尋找異物狀態的一種工具,目前,這些異物狀態仍然是物理學家理論中的荒誕想法。

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