進展 | 黑磷中的黑洞：費米子的高溫霍金輻射

2020-12-15 中科院物理所

霍金輻射是黑洞因量子漲落向外輻射粒子的現象。它是理解量子力學與廣義相對論之間聯繫的關鍵。然而，在宇宙中，黑洞的霍金輻射因其極低的霍金溫度（納開爾文量級，遠低於微波背景輻射溫度）尚未被實驗證實。為了提高霍金溫度便於實驗觀測，人們提出了利用經典流體、量子流體、光纖等各種人工系統模擬黑洞及其輻射的方案。然而，到目前為止，玻色-愛因斯坦凝聚體中的聲學黑洞的納開爾文量級的霍金溫度依然很難被實驗觀測。光纖中的光學模擬黑洞也備受爭議。

以上這些體系均是基於聲子、光子等玻色子體系。與此不同的是，固體裡存有大量電子、準電子等費米子，由於這些基本費米子間的靜電力強於引力很多數量級，由狄拉克半金屬模擬的費米性黑洞應具有較高的霍金溫度。但是，因缺乏可控的狄拉克費米子體系，此類費米子的霍金輻射的物理機制和真實材料的實現是大家普遍關注的重點，但一直未被解決。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室的博士生劉行、宋晨晨在孟勝研究員的指導下，與北京理工大學孫家濤教授和美國猶他大學劉鋒教授、黃華卿博士後合作，在前期發現黑磷的電子能帶可受周期性光場的調製產生具有可調節斜率的狄拉克錐的基礎之上【見Phys. Rev. Lett. 120, 237403 (2018)】，他們進一步利用第一性原理量子激發動力學計算和量子隧穿模型分析，預言了首個模擬費米子霍金輻射的真實系統，即雷射場輻照下的黑磷（圖1）。這個系統呈現出迄今為止最高、且實驗可探測的霍金溫度（1-10 K）。

圖1. 雙層黑磷中雷射輻照產生費米子「黑洞」示意圖。

他們發現，通過輻照特定的空間非均勻雷射場，二維黑磷呈現出在空間上連續分布的第二、第三、第一類狄拉克電子態。三類費米子的有效作用勢分別與史瓦西黑洞內部、邊緣、外部所對應的引力勢一致（圖2），因此可用狄拉克費米子體系模擬黑洞行為及黑洞的量子輻射效應。

圖2.黑洞（Black Hole, BH）內外的光錐（上圖）與模擬費米子黑洞內外的狄拉克錐（下圖）的對照。

量子效應使狄拉克電子從第二類狄拉克區域向第一類狄拉克區域隧穿，形成了與史瓦西黑洞輻射同樣的普朗克輻射譜（圖3）。實時的第一性原理激發動力學模擬表明，具有比較弱功率（0.0003V/Å）的太赫茲(~7 THz)雷射就可以實現對黑洞行為的模擬，並且黑磷在這一雷射場不會被損壞。

圖3.雙層黑磷中的費米子史瓦西「黑洞」所需的（a）光場分布及（b）霍金輻射譜。

更重要的是，光輻照雙層黑磷產生的「黑洞」呈現出3K的超高霍金溫度。這遠高於引力黑洞及其它人工玻色黑洞的輻射溫度，表明此理論方案可以在當前實驗室中實現。光照黑磷中的超高溫費米黑洞輻射的理論預言為實驗觀測霍金輻射奠定了基礎，也為研究凝聚態物質中的類天體物理現象提供了新的平臺和手段。相關成果發表在近期出版的Chin. Phys. Lett. 37, 067101 (2020)（Express Letters）上。該工作得到科技部重點研發計劃(2016YFA0300902，2015CB921001)和國家自然科學基金委(11774396, 91850120, 11934004)的資助。

編輯：CHANchan

相關焦點

  • 進展|黑磷中的黑洞:費米子的高溫霍金輻射
    霍金輻射是黑洞因量子漲落向外輻射粒子的現象。它是理解量子力學與廣義相對論之間聯繫的關鍵。然而，在宇宙中，黑洞的霍金輻射因其極低的霍金溫度（納開爾文量級，遠低於微波背景輻射溫度）尚未被實驗證實。Lett. 120, 237403 (2018)】，他們進一步利用第一性原理量子激發動力學計算和量子隧穿模型分析，預言了首個模擬費米子霍金輻射的真實系統，即雷射場輻照下的黑磷（圖1）。這個系統呈現出迄今為止最高、且實驗可探測的霍金溫度（1-10 K）。圖1. 雙層黑磷中雷射輻照產生費米子「黑洞」示意圖。
  • 黑洞究竟有多黑?——黑到能從宇宙背景輻射中吸收能量!
    黑洞是非常理想的黑體，「黑」體現在黑洞的溫度上，一個太陽質量大小的黑洞，霍金輻射溫度約為10^-8K，就算放到星際空間中，黑洞都能從宇宙背景輻射（溫度2.7K）中吸收能量。黑洞也是具有溫度的，對史瓦西黑洞來說，黑洞的溫度將和質量成反比，黑洞的質量越大，輻射溫度反而越低；黑洞對普通物質是只進不出，唯有通過霍金輻射，黑洞才會損失質量。
  • 從量子隧穿看霍金輻射,這是你能看到的最好的黑洞理論,簡單易懂
    在20世紀70年代早期，霍金證明了如果考慮量子效應，黑洞可以輻射。這是一個重要的發現，因為從經典意義上講，沒有任何東西可以從黑洞中逃脫，即使是光也不行。這表明黑洞有一個明確的溫度。對於經典系統來說，為黑洞定義溫度是不現實的因為任何東西都不可能與黑洞處於熱平衡狀態。黑洞熱力學定律由此誕生。故事始於雅各布·貝肯斯坦，他推導出了一個描述黑洞熵的方程。
  • 霍金是對的!科學家稱:在實驗室創造的「黑洞」證實了霍金輻射
    在第一張黑洞圖片證實了愛因斯坦提出的理論之後，輪到已故科學家史蒂芬·霍金為他畢生的部分工作辯護了。在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，科學家們表示，他們已經證實了霍金的同名理論——霍金輻射。霍金輻射假設，由於量子物理和引力的不同因素，黑洞從表面發出輻射。為了驗證這一理論，以色列理工學院的科學家們轉向了聽起來很瘋狂的科學：創造他們自己的黑洞。
  • 科學家首次觀察到「霍金輻射」現象:黑洞向外發射微弱粒子
    北京時間8月18日消息，黑洞常常被視作一種密度極大的天體，就連光線都無法從中逃脫。雖然黑洞的名字裡帶了一個「黑」字，但它們並不是全黑的。事實上，它們還會以量子輻射的形式，向外發射極其微弱的粒子。這一現象被命名為「霍金輻射」。近日，科學家首次在實驗室中觀察到了「霍金輻射」效應。1974年，史蒂芬?
  • 黑洞不黑?一起去看看霍金眼中的宇宙
    在這一時期取得巨大成就的先鋒當屬霍金。 到了1970年，霍金聲譽與日俱增，身體卻越來越差。進入輪椅生活以後的霍金，卻發現自己的思想異常的活躍。偉大的發現「黑洞不黑」，就來自這一時期的直覺，霍金從量子力學找到了「黑洞不黑」的答案。這一理論把兩個尺度截然不同的領域結合起來。黑洞為量子力學與粒子物理這兩大領域的相遇提供了契機。
  • 黑洞的非熱輻射與熱輻射，彭羅斯與霍金
    那麼，如果我告訴你，黑洞也會發出輻射，你是不是覺得前後矛盾了？事實上，黑洞存在著非熱輻射和熱輻射，而這兩者分別與彭羅斯和霍金的理論相關。由於黑洞真空中的負能態是被粒子填滿的，而正能態是空著的，因此某些負能粒子會通過隧穿成為正能粒子，並帶走黑洞能量飛向遠方，這就是黑洞的自發輻射。
  • 科學家首次觀察到「霍金輻射」現象
    事實上，它們還會以量子輻射的形式，向外發射極其微弱的粒子。這一現象被命名為「霍金輻射」。近日，科學家首次在實驗室中觀察到了「霍金輻射」效應。黑洞常常被視作一種密度極大的天體，就連光線都無法從中逃脫。雖然黑洞的名字裡帶了一個「黑」字，但它們並不是全黑的。事實上，它們還會以量子輻射的形式，向外發射極其微弱的粒子。這一現象被命名為「霍金輻射」。
  • 第一張黑洞照片能證實霍金輻射嗎?
    第一張真實的黑洞照片已經公布出來，但這並不能證實霍金輻射，與霍金的研究沒有關係，真正有關係的是愛因斯坦。而且霍金已經去世，無論以後如何證明霍金輻射的正確性，他也無法獲得諾貝爾物理學獎，因為這個獎項只頒給還在世的人。
  • 黑洞存在霍金輻射,那麼黑洞蒸發完後是什麼?
    黑洞蒸發完後，就什麼都沒有了，全部轉化為之前的輻射物質。黑洞蒸發理論，是霍金在1972年提出來關於黑洞的理論；在廣義相對論中，黑洞視界只進不出，但是霍金通過量子力學發現，在黑洞視界處因為量子漲落導致的虛粒子對，會使黑洞向外輻射出正能粒子。
  • 霍金解釋如何從黑洞中「逃出」
    【美國「石英」財經網站8月25日報導】題：霍金解釋如何從黑洞中(以某種形式)逃出 　　史蒂芬·霍金說，假如你發現自己身陷黑洞之中，不要恐慌：你可能會死去，但你可能不會消失得無影無蹤。　　目前的科學理論認為，黑洞的引力非常強，以至於一切物質———包括光在內———一旦陷入其中就無法逃脫。黑洞是具有無法想像的可怕力量的宇宙真空，僅銀河系中就有大約1億個黑洞。很有趣的理論吧。 　　不過也許還有希望。 　　世界最著名的物理學家史蒂芬·霍金提出了一項關於黑洞的最新理論。在他提出理論時，人們都會洗耳恭聽。
  • 霍金理論系列之三:霍金輻射(黑洞蒸發)
    貝肯斯坦黑洞並不黑——霍金輻射橫空出世然而在不久之後，理論的突破就發生了霍金通過嚴格的計算證明，黑洞真的會產生輻射，不過真正首先意識到黑洞會產生輻射的並非霍金，而是一位前蘇聯的物理學家澤爾多維奇。澤爾多維奇根據量子力學的真空漲落應用到黑洞附近，論證了旋轉黑洞將在旋轉過程中通過某種機制輻射出引力波、電磁波、中微子等，但是他相對論的水平有限，希望作為相對論權威的索恩能在相對論方面給予意見。結果索恩表示強烈反對，他不相信黑洞能產生任何輻射，最終他們以一個賭局結束討論——堵旋轉黑洞會不會產生輻射。
  • 第一張黑洞照片公布,證實了黑洞輻射,霍金是否可以得諾貝爾獎?
    霍金是著名的宇宙學家，雖然他已經去世一周年了，但是人們還是會時不時想起他，令人感到可惜的是，霍金生前沒有能夠一睹黑洞的真容。雖然在霍金的腦海中，或許早就已經有了黑洞的標準模型，但是如果能夠親眼所見的話，霍金也應該一生無憾了吧，畢竟霍金也是黑洞標準模型的積極建造者，科幻大片《星際穿越》中的黑洞假想模型，就是由霍金及其好友也就是諾貝爾物理學獎得主基普·索恩作為科學顧問參與製作完成的。
  • 「霍金輻射」是正確的 科普:什麼是霍金輻射
    ６月3日消息，據英國每日郵報報導，在第一張黑洞照片證實了愛因斯坦提出的理論之後，科學家開始驗證已故科學家史蒂芬·霍金的研究理論。在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，科學家表示，我們現已證實了霍金的同名理論——「霍金輻射」。
  • 我們或許可以驗證黑洞的霍金輻射現象了
    甚至宇宙中最快的——電磁輻射——都無法逃脫。 但是量子力學可以提供廣義相對論無法解釋的細節。根據霍金在1974年提出的思想，當引入量子力學後，黑洞確實會釋放某些東西。理論上，逃逸而出的電磁輻射看起來就像由加熱物體產生的光譜，遵循黑體輻射規則，僅從這一角度，它相當於由黑洞的超大質量引發的超低能量波。
  • 「霍金輻射」理論是正確的!科學家創造微型黑洞證實
    北京時間6月4日消息，據國外媒體報導，在第一張黑洞照片證實了愛因斯坦提出的理論之後，科學家開始驗證已故科學家史蒂芬·霍金的研究理論。在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，科學家表示，我們現已證實了霍金的同名理論——「霍金輻射」。
  • 在138億年的宇宙中,每個黑洞仍在增長,沒有因霍金輻射而衰減
    霍金1974年的工作是第一次證明這一點，這可以說是他最偉大的科學成就。但這並不意味著黑洞將永遠存在；相反，由於霍金輻射現象，黑洞會慢慢衰變。在視界之外的空間曲率越強，黑洞衰減越快。基於我們宇宙中存在的黑洞，你可能會想，到底有多少黑洞差不多已經衰變沒了，或有多少黑洞正在衰變。時隔138億年，令人驚訝的答案是零。圖註：對於非旋轉的孤立黑洞，黑洞的質量是視界半徑的唯一決定因素。
  • 霍金臨終論文公開:揭秘沉入黑洞的信息去向
    這是他生前參與的最後一篇論文，甚至知曉論文更新時，霍金的回應已經非常艱難。當是時，遠在美國哈佛的合作者Perry和Strominger，通過視頻向霍金匯報最新進展，卻不知霍金已近油盡燈枯。「他已很難與人溝通，在我們打開揚聲器，解釋完研究的最新進展，他以一個『大笑臉』作為回應。」然而誰也沒想到，幾天之後，霍金就此與世長辭。
  • 霍金:黑洞不是這麼黑的
    此次發布的黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系 M87中心的黑洞，其距離地球 5500萬光年，質量為太陽的 65 億倍。該圖像的許多特徵與愛因斯坦廣義相對論的預言完全相一致，在強引力極端環境下進一步驗證了廣義相對論。在《時間簡史》中，霍金曾經專門探討過黑洞的問題，今天我們來閱讀霍金的文章。
  • 從《時間簡史》到《黑洞不是黑的》霍金的「科學洞見」在這些巨著
    原標題：從《時間簡史》到《黑洞不是黑的》，霍金一生的「科學洞見」都在這些巨著裡 　　史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），1942年1月8日出生於英國牛津，英國劍橋大學著名物理學家，現代最偉大的物理學家之一、20世紀享有國際盛譽的偉人之一。從《時間簡史》到《黑洞不是黑的》，霍金一生出版了無數科學巨著，將自己關於科學的見解在這些書中進行了詮釋。