小晶體藏大風暴—新聞—科學網

2020-12-01 科學網
小晶體藏大風暴
科學家在量子材料中發現獨特高能物理環境中僅有現象

實驗室晶體可被用於證實時空曲率如何影響外爾費米子。

圖片來源：Robert Strasser, Kees Scherer; collage: Michael Büker

物理學家報告稱，理論上應該出現在巨大引力場（如在黑洞附近或是在宇宙大爆炸之後等）中的一個獨特粒子物理學效應，卻在實驗室內的一塊材料中被觀察到了。

由瑞士蘇黎世附近IBM研究中心物理學家Johannes Gooth帶領的團隊稱，他們觀察到了一種長期以來所預測的軸性—引力異常效應的證據。它表示，巨大的引力場——廣義相對論將其描述為巨大時空彎曲的結果——會破壞經常以鏡像方式成對出現的特殊種類粒子的對稱性，使一種粒子產生得更多，而另一種粒子產生得更少。

需要證明這種打破基礎「守恆定律」的不尋常現象所需要的條件並不能在實驗室中設立。但研究人員利用引力和溫度之間的一種特殊平行，在鈮磷化晶體中建立了這種異常現象的實驗室模擬。加州大學伯克利分校該團隊成員Adolfo Grushin說：「這種異常現象很難測量，即便間接證據也是一項大突破。」

在晶體內部，這種效應就像幾副手套中突然間多出來幾隻右手手套，因為其中一些左手手套調換了手性。這個近日發表於《自然》的研究結果支持一個新興觀點，量子材料（性質由被量子機械效應主宰的晶體）可作為異常條件下才能見到的物理效應的試驗臺。

這些受異常效應影響的粒子是外爾費米子，它們由數學家赫爾曼·外爾在20世紀20年代提出。這些粒子不同於其他種類的費米子（如電子），因為它們似乎沒有質量，同時還有一種偏手性或手性。

儘管外爾費米子據認為可能會短暫參與其他種類粒子的衰變，但它們從未被看作是單個的物理實體。不過在一些晶體內部，它們曾被發現作為「準粒子」存在。在這些材料中，量子機械效應會讓其電子整體移動，它們的整體行為類似於外爾費米子的行為：像鏡像對一樣，手性外爾費米子通常以相等的數量生成。

2015年，研究人員揭示，強電磁場可以打破一種叫作狄拉克半金屬的量子材料內的這種對稱性，證明了高能物理領域長期以來預測的一種叫作軸性（或手性）反常的效應。

現在，Gooth團隊已經確定引力或時空曲率也會破壞這種對稱性。為了做到這一點，他們依賴引力和溫度效應之間的聯繫，該效應認為，時空曲率對於外耳費米子的效應在數學上相當於溫度的梯度效應。換言之，如果外爾費米子出現的材料的一部分比另一部分溫度更高，那麼也會出現異常現象。

Gooth解釋，其中的原因「根植於愛因斯坦著名的方程式E=mc2」。「在相對論量子場理論中，能量和質量流變得相同。」他說，「質量流由引力場梯度驅動，而能量流由溫度梯度驅動。因此，相對費米子溫度梯度模仿了一種引力場梯度。」

研究人員在一個微電子電路中測量了「外爾半金屬」磷化晶體鈮的導電性。他們應用溫度梯度和電磁場，看到了兩種不同種類的外爾費米子中的不平衡性——通過樣本朝著一個方向移動的左手性粒子的數量不同於朝著相反方向移動的右手性粒子的數量——產生的感應電流。此外，Grushi說，「當我們改變磁場時，電流的行為也正是軸性—引力異常理論所預測的結果」。

但並非所有人都認可他們的分析。西雅圖華盛頓大學物理學家Boris Spivak主張，軸性—引力異常絕不會存在於外爾費米子中。他表示，溫度梯度並不能誘導電子在兩種不同手性的粒子之間轉換。「有很多其他的機制可以解釋他們的數據。」Spivak說。他認為研究人員僅是在熟悉的熱電效應中測量磁場的影響，其中電子流是由溫度梯度形成的。

但Gooth和同事不同意這種看法。他們表示，由溫度引起的手性異常效應的存在具備強有力的理論上支撐。麻薩諸塞州哈佛大學固態材料量子效應專家Subir Sachdev表示，研究人員「在軸性—引力異常的物理結果上有著充分的證據」。

Sachdev補充說，這種異常的存在毋庸置疑，「很高興看到它存在於真實的材料中」。他表示，這確定了引力會以愛因斯坦相對論中指出的方式那樣與量子場產生相互作用。

Grushin認為，了解這些材料中的類似異常如何表現將會通往新的物理學。IBM還希望這些發現可被用於雷射和電子領域，因為它在鈮磷化晶體內部產生了電流。Gooth說，利用這種異常性的設備或可提升從溫度梯度中產生電能的材料的能效。（晉楠編譯）

 

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