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        五種“并不存在”卻能改變世界的粒子

        2017-02-23 19:40:33劉霞
        今日文摘 2017年3期

        劉霞

        粒子指能以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組分,包括電子、中子等?,F(xiàn)代物理學(xué)的奠基石——物理標(biāo)準(zhǔn)模型從本質(zhì)上說(shuō)就是一個(gè)粒子家族的“家譜”,其成員大家耳熟能詳。但還有一類同樣重要的粒子卻乏人問津。當(dāng)然,這也是可以理解的,因?yàn)檫@些“準(zhǔn)粒子”并非真實(shí)存在,但它們的獨(dú)特物理性質(zhì)卻足以變革現(xiàn)代科技。英國(guó)《新科學(xué)家》雜志在近日的報(bào)道中,為我們列出了5種“并不存在”卻能改變世界面貌的準(zhǔn)粒子。

        聲子:電動(dòng)牛仔

        2012年,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子,它是其他粒子的質(zhì)量來(lái)源。至此,62種基本粒子已經(jīng)全部被發(fā)現(xiàn),但如果沒有聲子(phonon),這一切不可能發(fā)生。

        聲子的概念是在研究晶格振動(dòng)過程中發(fā)展起來(lái)的。聲子這一名稱由前蘇聯(lián)物理學(xué)家伊戈?duì)枴に酚?932年首次提出。他指出,正如光和電子對(duì)應(yīng)一樣,可以把聲波與我們稱之為“聲子”的某些粒子聯(lián)系起來(lái)。在固體中,尤其是在半導(dǎo)體和絕緣體中,“熱”通過晶格振動(dòng)來(lái)傳導(dǎo),也就是說(shuō),“聲子”是熱的載體。

        在常溫下,聲子是準(zhǔn)粒子,固體材料的熱傳導(dǎo)主要由聲子來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在極低溫度下,這些準(zhǔn)粒子“化身”為一群“牛仔”,驅(qū)趕著電子組成的“牛群”。這些電子的行動(dòng)整齊劃一,活動(dòng)時(shí)電阻幾乎為零,這便是低溫超導(dǎo)的原理。

        磁振子:自旋之王

        自從塔姆提出“聲子”概念后,科學(xué)家們逐步在固體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了很多這樣的準(zhǔn)粒子。另一個(gè)此類粒子源于自旋,這一量子屬性是磁學(xué)的基礎(chǔ)。自旋就像原子上的一支箭,指向南或北;當(dāng)物質(zhì)內(nèi)的所有自旋對(duì)齊時(shí),就出現(xiàn)了一個(gè)磁場(chǎng)。但當(dāng)這種自旋狀態(tài)不斷翻轉(zhuǎn)時(shí),就造出了一種波效應(yīng),科學(xué)家們將這種效應(yīng)稱為“磁振子(magnon)”。

        普通電腦和智能手機(jī)存儲(chǔ)信息需要電力,設(shè)備斷電信息則無(wú)從獲取。如果用了磁振子,信息存儲(chǔ)將完全依靠磁場(chǎng),無(wú)需電力,這就是所謂的自旋電子學(xué)(Spintronics)。

        激子:植物的秘密武器

        在任何物質(zhì)中,電子以不同的能級(jí)存在。當(dāng)一個(gè)光子照射到物體表面時(shí),它會(huì)將電子激發(fā)到更高能級(jí),留下一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電,空穴帶正電,它們之間的庫(kù)侖吸引作用,在一定條件下會(huì)讓它們?cè)诳臻g上束縛在一起,這樣形成的復(fù)合體被稱為激子(excitons)。

        植物的葉片中含有捕光蛋白,捕光蛋白內(nèi)的電子吸收光子獲得能量會(huì)被激發(fā),離開自己的位置,留下一個(gè)空穴,電子—空穴對(duì)形成的激子,會(huì)在植物的光合作用生產(chǎn)線上四處飄蕩。當(dāng)激子到達(dá)需要它們的特定位置,電子跟空穴重組并釋放出能量,植物利用這些能量將水分解為氫和氧氣,這一光合作用是地球生命的根源。

        馬約拉納費(fèi)米子:量子英雄

        普通計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息存儲(chǔ)在“比特(bit)”內(nèi),每一比特都被編碼成0或1;量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息比特可同時(shí)以0和1存在,但這種疊加狀態(tài)非常脆弱。為此,物理學(xué)家們一直在尋找使量子比特更穩(wěn)定的方法。

        上世紀(jì)30年代,意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言,肯定有一種粒子,它和它的反粒子是一樣的。“馬約拉納粒子”的概念誕生了,它沒有質(zhì)量,不帶電,是自己的反粒子,且總是成雙成對(duì)出現(xiàn)。馬約拉納粒子由于具有特殊的性質(zhì),呈電中性,很少與環(huán)境相互作用,因此成為一種理想的量子信息編碼載體。

        外爾費(fèi)米子:雙面嬌娃

        “外爾費(fèi)米子(Weylfermions)”就像電子羞澀的“表親”。1929年德國(guó)科學(xué)家外爾(H.Weyl)提出:存在一種無(wú)“質(zhì)量”的可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”的電子,這種電子被稱為“外爾費(fèi)米子”。

        外爾費(fèi)米子具有兩個(gè)關(guān)鍵特性:無(wú)質(zhì)量而有手性。沒有質(zhì)量意味著,它可以高速移動(dòng),同時(shí)它對(duì)與其手性不符的干擾具有極高的抵抗力,這就使它很難散射:兩束不同類型的外爾費(fèi)米子流可以靠得很近卻不相互作用。有人提出,這些屬性使它可以成為超越自旋電子學(xué)運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

        (鄧佳琪薦自《科技日?qǐng)?bào)》)

        責(zé)編:我不是雨果

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