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/ ）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