五种“并不存在”却能改变世界的粒子

刘霞

粒子指能以自由状态存在的最小物质组分，包括电子、中子等。现代物理学的奠基石——物理标准模型从本质上说就是一个粒子家族的“家谱”，其成员大家耳熟能详。但还有一类同样重要的粒子却乏人问津。当然，这也是可以理解的，因为这些“准粒子”并非真实存在，但它们的独特物理性质却足以变革现代科技。英国《新科学家》杂志在近日的报道中，为我们列出了5种“并不存在”却能改变世界面貌的准粒子。

声子：电动牛仔

2012年，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子，它是其他粒子的质量来源。至此，62种基本粒子已经全部被发现，但如果没有声子（phonon），这一切不可能发生。

声子的概念是在研究晶格振动过程中发展起来的。声子这一名称由前苏联物理学家伊戈尔·塔姆于1932年首次提出。他指出，正如光和电子对应一样，可以把声波与我们称之为“声子”的某些粒子联系起来。在固体中，尤其是在半导体和绝缘体中，“热”通过晶格振动来传导，也就是说，“声子”是热的载体。

在常温下，声子是准粒子，固体材料的热传导主要由声子来实现。但在极低温度下，这些准粒子“化身”为一群“牛仔”，驱赶着电子组成的“牛群”。这些电子的行动整齐划一，活动时电阻几乎为零，这便是低温超导的原理。

磁振子：自旋之王

自从塔姆提出“声子”概念后，科学家们逐步在固体内部发现了很多这样的准粒子。另一个此类粒子源于自旋，这一量子属性是磁学的基础。自旋就像原子上的一支箭，指向南或北；当物质内的所有自旋对齐时，就出现了一个磁场。但当这种自旋状态不断翻转时，就造出了一种波效应，科学家们将这种效应称为“磁振子（magnon）”。

普通电脑和智能手机存储信息需要电力，设备断电信息则无从获取。如果用了磁振子，信息存储将完全依靠磁场，无需电力，这就是所谓的自旋电子学（Spintronics）。

激子：植物的秘密武器

在任何物质中，电子以不同的能级存在。当一个光子照射到物体表面时，它会将电子激发到更高能级，留下一个空穴。电子带负电，空穴带正电，它们之间的库仑吸引作用，在一定条件下会让它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体被称为激子（excitons）。

植物的叶片中含有捕光蛋白，捕光蛋白内的电子吸收光子获得能量会被激发，离开自己的位置，留下一个空穴，电子—空穴对形成的激子，会在植物的光合作用生产线上四处飘荡。当激子到达需要它们的特定位置，电子跟空穴重组并释放出能量，植物利用这些能量将水分解为氢和氧气，这一光合作用是地球生命的根源。

马约拉纳费米子：量子英雄

普通计算机内的信息存储在“比特（bit）”内，每一比特都被编码成0或1；量子计算机内的信息比特可同时以0和1存在，但这种叠加状态非常脆弱。为此，物理学家们一直在寻找使量子比特更稳定的方法。

上世纪30年代，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳预言，肯定有一种粒子，它和它的反粒子是一样的。“马约拉纳粒子”的概念诞生了，它没有质量，不带电，是自己的反粒子，且总是成双成对出现。马约拉纳粒子由于具有特殊的性质，呈电中性，很少与环境相互作用，因此成为一种理想的量子信息编码载体。

外尔费米子：双面娇娃

“外尔费米子（Weylfermions）”就像电子羞涩的“表亲”。1929年德国科学家外尔（H.Weyl）提出：存在一种无“质量”的可以分为左旋和右旋两种不同“手性”的電子，这种电子被称为“外尔费米子”。

外尔费米子具有两个关键特性：无质量而有手性。没有质量意味着，它可以高速移动，同时它对与其手性不符的干扰具有极高的抵抗力，这就使它很难散射：两束不同类型的外尔费米子流可以靠得很近却不相互作用。有人提出，这些属性使它可以成为超越自旋电子学运算能力的计算机的基础。

（邓佳琪荐自《科技日报》）

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