“物質(zhì)宇宙”驚現(xiàn)新粒子

何巖

一個國際研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測出了一種存在于金屬物質(zhì)中的新型粒子——Ⅱ型威爾費(fèi)米子。研究人員推斷，這種粒子存在于二碲化鎢中。他們將之比作“物質(zhì)宇宙”，因?yàn)樗瑤追N不同的粒子，這些粒子有的就存在于我們的宇宙中，其他的可能只存在于某些特別的晶體中。

這種新發(fā)現(xiàn)的粒子是威爾費(fèi)米子的表親，也是標(biāo)準(zhǔn)量子場論的粒子之一。該項(xiàng)研究由普林斯頓大學(xué)物理系副教授B.安德烈·百奈威、瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)研究所的馬提亞·特耶羅和阿列克謝·索盧亞諾夫以及中國科學(xué)院物理研究所的戴希牽頭，團(tuán)隊(duì)成員有普林斯頓大學(xué)博士后研究助理王志軍和瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)研究所博士后研究助理吳全勝，以及瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)研究所的研究生多米尼克·格萊琴。

研究人員稱，85年前量子理論剛起步時，物理學(xué)家赫爾曼·威爾未能發(fā)現(xiàn)這種粒子，是因?yàn)樗拇嬖谶`反了洛倫茲對稱的基本原則。

相對量子場理論描繪了我們宇宙中的粒子，該理論結(jié)合了量子力學(xué)和愛因斯坦的相對論。依據(jù)這一理論，固體是由原子形成的，原子是由電子圍繞原子核運(yùn)動構(gòu)成的。因?yàn)榻^對數(shù)量的電子之間互相作用，所以根本不可能利用量子力學(xué)理論完全解決固體中多電子運(yùn)動的難題。

我們關(guān)于物質(zhì)的現(xiàn)有知識都源于一個簡化的觀點(diǎn)：固體中的電子都被描述成一種特殊的、不與其他粒子相互作用的粒子——準(zhǔn)粒;而在等效磁場中，由帶電實(shí)體創(chuàng)造的叫離子和電子。這些準(zhǔn)粒子被稱作布洛赫電子，也是費(fèi)米子。

正如電子是物質(zhì)宇宙中的一種基本粒子，我們可以將布洛赫電子看作固體中的基本粒子。換言之，對它們自己的基本粒子來說，晶體本身就成了“宇宙”。

近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)這種“物質(zhì)宇宙”可以承載相對量子場論中的所有粒子，并在這種物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了三種準(zhǔn)粒子：狄拉克費(fèi)米子、馬約拉納費(fèi)米子和威爾費(fèi)米子。盡管在長時間的實(shí)驗(yàn)中兩種粒子還是不見蹤影，但是這也為利用相對較低的費(fèi)用在這些凝聚態(tài)晶體中進(jìn)行小規(guī)模實(shí)驗(yàn)、模擬量子場理論的某些特定預(yù)測開拓了路徑。

百奈威說：“如果一個人的想象力能夠更進(jìn)一步，就會想知道那些相對量子場理論尚不知曉的粒子是否可以出現(xiàn)在凝聚態(tài)的物體中?！卑凑者@些研究人員的說法，有理由相信這是有可能的。

由量子場理論描述出來的宇宙是受到特定規(guī)則集和對稱性（即洛倫茲對稱）嚴(yán)格約束的，這是高能粒子的特征。然而洛倫茲對稱并不適用于凝聚態(tài)物體，因?yàn)楣腆w中典型電子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度比光速慢很多，這就使凝聚態(tài)物體物理學(xué)成為低能理論。

索盧亞諾夫說：“可能會有人想，某些物質(zhì)中的非相對基本粒子是否有可能不符合洛倫茲對稱的原則?！?/p>

這項(xiàng)研究的成果給了這個問題一個肯定的答案。這項(xiàng)工作開始于2014年11月，當(dāng)時索盧亞諾夫和戴希正在拜訪普林斯頓大學(xué)的百奈威，他們的討論轉(zhuǎn)向了磁場中特定金屬那些前所未有的、奇怪的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（研究結(jié)論發(fā)表于《自然》雜志2014年第514期，201頁至208頁）。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家已經(jīng)在一些物質(zhì)中觀察到了這種行為，但是還要做很多工作才能確定它的確是跟一種新型粒子聯(lián)系在一起的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然相對論只允許存在一種威爾費(fèi)米子，但是在凝聚態(tài)固體中，可能存在兩種完全不同的威爾費(fèi)米子。標(biāo)準(zhǔn)的I型費(fèi)米子在零點(diǎn)能下有兩種存在狀態(tài)，這和電子只能高速地向上或者向下旋轉(zhuǎn)相似。這種威爾費(fèi)米子存在于相對場論中，也是在保持洛倫茲不變性的情況下唯一被允許存在的費(fèi)米子。

新近預(yù)測出的Ⅱ型威爾費(fèi)米子在零點(diǎn)能下有一個熱力動力學(xué)數(shù)量的存在狀態(tài)。它有費(fèi)米面。它的費(fèi)米面其實(shí)是外來的，在費(fèi)米面中，它和觸點(diǎn)一起出現(xiàn)在電子和電洞口袋之間，賦予Ⅱ型威爾費(fèi)米子一種有限密度的狀態(tài)，也就打破了洛倫茲對稱性。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)開啟了許多新的方向。大多數(shù)正常金屬處于磁場中時電阻率都會增大，這個已知的作用也被廣泛應(yīng)用于當(dāng)代科技。普林斯頓大學(xué)和英國皇家物理學(xué)會北京分會的兩組實(shí)驗(yàn)成果顯示，如果電場和磁場作用于同一方向，電阻率其實(shí)可以減小。這種作用被稱為負(fù)縱向磁電阻。包含Ⅱ型威爾費(fèi)米子的物質(zhì)有著混合的運(yùn)行狀態(tài)：若它和磁場方向相同，則和正常金屬一樣電阻率增大;若方向不同，則可以像在威爾半金屬中一樣電阻率減小。這也提供了許多潛在的應(yīng)用于材料研發(fā)的可能。

研究人員稱：“更引人入勝的是能在其他凝聚態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)更多的基本粒子。還有什么別的粒子隱藏在這些‘物質(zhì)宇宙中呢？其實(shí)，存在于物質(zhì)中的那些令人意想不到的費(fèi)米子才剛剛開始‘浮出水面呢！”

延伸閱讀

恩利克·費(fèi)米，美籍意大利著名物理學(xué)家，1938年諾貝爾物理學(xué)獎得主。費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)一個研究小組在芝加哥大學(xué)建立了人類第一臺可控核反應(yīng)堆，人類從此邁入原子能時代。

費(fèi)米在理論和實(shí)驗(yàn)方面都有第一流的建樹，這在現(xiàn)代物理學(xué)家中是屈指可數(shù)的。100號化學(xué)元素鐨、著名的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、芝加哥大學(xué)的費(fèi)米研究院，以及原子核物理學(xué)中使用的費(fèi)米單位都是為紀(jì)念他而命名的。費(fèi)米人生的最后幾年，主要從事高能物理研究。1949 年，他揭示了宇宙射線中原粒子的加速機(jī)制，研究了π介子、μ子和核子的相互作用，提出宇宙射線起源理論。19 52年，他發(fā)現(xiàn)了第一個強(qiáng)子共振——同位旋四重態(tài)。1949年，他與楊振寧合作，提出基本粒子的第一個復(fù)合模型。

費(fèi)米面是指在絕對零度下，波矢空間（波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個矢量，其大小表示波數(shù)，其方向表示波傳播的方向。波矢有兩種常見的定義，區(qū)別在于振幅因子是否乘以2π，分別用于物理學(xué)和晶體學(xué)以及它們的相關(guān)領(lǐng)域）中電子占據(jù)態(tài)與未占據(jù)態(tài)之間的分界面。根據(jù)量子力學(xué)理論，具有半奇數(shù)自旋量子數(shù)的費(fèi)米子，如電子，遵循泡利不相容原理（一個量子態(tài)只能被一個粒子所占據(jù)），因此，費(fèi)米子在能級中的分布遵循費(fèi)米—狄拉克分布。一個由無相互作用的費(fèi)米子組成的系統(tǒng)的基態(tài)模型可按照如下方法構(gòu)造：從無粒子系統(tǒng)開始，將粒子逐個填入現(xiàn)存未被占據(jù)的最低能量的量子態(tài)，直到所有量子態(tài)全部填完。此時，系統(tǒng)的費(fèi)米能就是占據(jù)最高分子軌道的能量，費(fèi)米面則是波矢空間中費(fèi)米能量構(gòu)成的表面。實(shí)際上，晶體的能帶結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，相應(yīng)的費(fèi)米面形狀也很復(fù)雜，最簡單的情況是理想費(fèi)米球的費(fèi)米面。可用來測量金屬費(fèi)米面的實(shí)驗(yàn)技術(shù)有磁阻效應(yīng)、回旋共振等。