張佳星

近日，新華社報(bào)道“量子球狀閃電”被造出，極具科幻大片色彩，攫住不少眼球，被多家網(wǎng)站轉(zhuǎn)載，然而研究卻和閃電沒(méi)有一點(diǎn)關(guān)系。其實(shí)，此次報(bào)道的發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)進(jìn)展》上的論文，既沒(méi)有闡明出球狀閃電的發(fā)生機(jī)理，也沒(méi)有在量子世界里再現(xiàn)球狀閃電，業(yè)內(nèi)人士揶揄此篇報(bào)道中的球狀閃電是“腦補(bǔ)的”。那么這篇論文究竟做了哪些研究？獲得了哪些創(chuàng)造性進(jìn)展呢？

沒(méi)有“閃電”，主角是斯格明子

該論文原題為《在三維斯格明子中合成電磁節(jié)》，其中根本沒(méi)有討論閃電，“故事”的主角是一種被稱(chēng)為“斯格明子”的“粒子”。斯格明子遠(yuǎn)沒(méi)有“上帝粒子”“天使粒子”那么“有名”，但同樣也被科學(xué)家探求了幾十年?！八垢衩髯硬⒉皇?2種基本粒子之一，它是基于材料中的固有相互作用，形成的一種基本磁性單元。”清華大學(xué)副教授于浦解釋。資料顯示，英國(guó)物理學(xué)家托尼·斯格明于1962年首次預(yù)言這種粒子的存在。但直到2009年，德國(guó)物理學(xué)家繆保爾等才觀測(cè)到磁性斯格明子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

斯格明子的證實(shí)讓信息社會(huì)為之一振?，F(xiàn)代硬盤(pán)的磁性單元約為100納米，斯格明子這一磁性單元在尺度上可以?xún)H為幾納米，這將使得磁性存儲(chǔ)的載體變得更小。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，以斯格明子為單元的TB級(jí)別（萬(wàn)億字節(jié)）的硬盤(pán)可能只有紐扣大小。

“在非常微弱的電流驅(qū)動(dòng)下，它就能高效運(yùn)動(dòng)，這將使得斯格明子作為信息載體在存取信息時(shí)速度更快。”清華大學(xué)物理系助理教授江萬(wàn)軍解釋道。此外，在斷電的情況下，信息也可以得到完整保存，因而斯格明子被認(rèn)為是下一代高密度、高速度、低耗能、非易性的自旋存儲(chǔ)器件中的優(yōu)良信息載體，從而得到業(yè)界廣泛關(guān)注。

我國(guó)科學(xué)家正在該領(lǐng)域進(jìn)行深入探索，并取得了多個(gè)原創(chuàng)性成果。為了研究以斯格明子為單元的自旋存儲(chǔ)以及邏輯器件，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專(zhuān)項(xiàng)支持了斯格明子的相關(guān)研究，江萬(wàn)軍也參與其中。

獲得更多斯格明子的新途徑

在電子顯微鏡下，斯格明子宛如物質(zhì)整體中的一個(gè)個(gè)“小蜂巢”，如何讓這些“蜂巢”在材料體系中變得更多、更小，是目前探索新型自旋存儲(chǔ)材料的關(guān)鍵問(wèn)題之一?！爱?dāng)電子跑進(jìn)斯格明子后，電子的運(yùn)動(dòng)方式就不一樣了，傾向于跟著斯格明子運(yùn)動(dòng)?！苯f(wàn)軍說(shuō)?？梢韵胂?，斯格明子更像是一種“金鐘罩”的概念。

過(guò)往對(duì)新材料體系的獲取，多是通過(guò)各種方法對(duì)材料體系的整體進(jìn)行調(diào)整，使其產(chǎn)生斯格明子。例如，通過(guò)打破界面反演對(duì)稱(chēng)性破缺，江萬(wàn)軍等人首先證明了在重金屬/鐵磁體的磁性納米材料中也可產(chǎn)生斯格明子。該材料體系中的磁性斯格明子在理論尺度上可以做到更小（3納米左右），并能在室溫下穩(wěn)定存在。

“傳統(tǒng)的固體里面，通過(guò)控制材料的內(nèi)稟特性來(lái)控制電子自旋的狀態(tài)，就可以制備出斯格明子”，于浦解釋?zhuān)舜蔚难芯繀s是通過(guò)操作原子狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

“該研究通過(guò)電磁場(chǎng)操控，使得銣原子的排列形成了類(lèi)似斯格明子的結(jié)構(gòu)。同時(shí)也擁有了斯格明子的各種拓?fù)湮锢硇再|(zhì)?！苯f(wàn)軍說(shuō)。

為了能夠操作原子，這一研究把銣原子冷卻到極低溫度，從而形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC），讓原子失去個(gè)性，所有原子擁有相同的量子態(tài)，以便可以通過(guò)電磁場(chǎng)進(jìn)行操控，從而形成三維形狀的斯格明子自旋結(jié)構(gòu)。

BEC+磁場(chǎng)開(kāi)啟時(shí)髦研究方向

“用原子的BEC態(tài)模擬凝聚態(tài)物理系統(tǒng)中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)行為最近變成了一個(gè)熱門(mén)的研究方向?！庇谄终f(shuō)，“凝聚態(tài)物理研究的是我們現(xiàn)實(shí)生活中的固體，固體內(nèi)部非常復(fù)雜，存在各種粒子或準(zhǔn)粒子，以及它們相互之間的強(qiáng)電磁作用，而科學(xué)家們現(xiàn)在可以利用單一狀態(tài)的原子來(lái)模擬它們的相互作用?！边@種研究手段，將為我們了解、重現(xiàn)固體中復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供解決方案，其中原子的BEC特性會(huì)起到非常重要的作用。BEC是科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦在80年前預(yù)言的一種新物態(tài)，這里的“凝聚”表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)（一般是基態(tài)）。

這樣的狀態(tài)加上變幻的電磁場(chǎng)，就可以用來(lái)模擬固體物質(zhì)內(nèi)部粒子的不同狀態(tài)，進(jìn)而將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化，幫助科學(xué)家了解復(fù)雜固體內(nèi)部的相互作用。江萬(wàn)軍認(rèn)為，“此次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更進(jìn)一步，從二維拓展到三維體系”。利用空間變化的磁場(chǎng)，對(duì)微觀世界達(dá)成可計(jì)算、可預(yù)測(cè)的操控，將為科學(xué)家提供更多的問(wèn)題解決思路。