最为奇特和最具潜在应用的准粒子介绍

准粒子描述的是一类自发产生的、行为和特点类似粒子的物理实体。准粒子不断被发现，现象也一个比一个更奇异。下面我们就来介绍一些最为奇特和最具潜在应用的准粒子。

哈里·金（Harry Kim） 是美国航海家号星际飞船上的一名军官，他在另一个世界中醒来，用一束极化子(polaron)弯曲了时空连续体。听起来像是科幻小说？对，但不全是。

“星际迷航常常借用一些真实准粒子的名字，然后赋予它们一些神奇的特性。”德克萨斯州莱斯大学的物理学家道格拉斯·纳泰尔森(Douglas Natelson)说。他的工作是创造真实存在的准粒子。

准粒子是粒子的一种。17个“基本”粒子被认为是所有物质的组成部分，准粒子虽被挡在基本粒子的门外，却是从这些基本粒子间的复杂相互作用中出现的。物理学家可以把由大量粒子组成的固体、液体或等离子体置于极端的温度和压力下，并将此条件下的系统描述为几个“鲁棒的、类似粒子的”实体。出现的准粒子可以非常稳定，具有质量和电荷等完全定义的性质。

例如，极化子是在1933年由列夫·朗道(Lev Landau)发现的，它客串了1995年的《星际迷航：旅行者》。当一些电子被困在晶体中时，极化子就出现了。每个电子和它周围的所有粒子之间的吸引和排斥作用“修饰”了电子，使它表现得像一个质量更大的准粒子。

在过去几十年里主导研究的其他类型的凝聚态物质中，事情开始变得非常奇怪。研究人员可以创造出具有任意精确分数倍电子电荷或自旋（一种内禀角动量）的准粒子。这些奇特的特性是如何产生的，目前还不清楚。马里兰大学的凝聚态物理学家桑卡尔·达斯·萨尔玛(Sankar Das Sarma)说：“这简直就像魔法。”

通过直觉、有根据的猜测和计算机模拟，凝聚态物理学家已经能够更好地计算出哪些准粒子在理论上是可能的。与此同时，在实验室里，随着物理学家将新材料推向新的极端，准粒子的世界迅速发展，变得越来越奇特。纳泰尔森说：“这确实是一项杰出的智力成就。”

最近的发现包括π子(pi-ton)，不可移动的分形子(fracton)和扭曲的褶皱子(wrinklon)。牛津大学的理论凝聚态物理学家史蒂夫·西蒙说：“我们现在考虑的准粒子的性质是我们以前做梦都没想过的。”

下面是一些最为奇怪和有潜在应用的准粒子。

用马约拉纳子进行量子计算

最早发现的准粒子是“空穴”(hole)，它的概念很简单，就是在本该存在电子的位置没有电子。二十世纪四十年代的物理学家发现，空穴可以像带正电的粒子一样在固体中跳来跳去。

更奇怪的、也更有用处的是假想的马约拉纳准粒子，它有一种分裂的特性：它同时是半个电子和半个空穴。“就是这么疯狂。”达斯·萨尔玛说。

2010年，达斯·萨尔玛和他的合作者认为，马约拉纳准粒子可以用来制作量子计算机。当电子和空穴在对方周围移动时，它们就能存储信息，就像将图案编入两根绳子。不同拧绳子的方法对应于1，0以及1和0的叠加，它们是量子计算中的比特。

到目前为止，由于大多数粒子的量子叠加状态在高温或与其他粒子碰撞时会失效，所以建造量子计算机的实验都遇到了困难。马约拉纳准粒子则不是这样。它们不寻常的成分赋予它们零能量和零电荷的特性，这理论上允许它们存在于某种超导体的深处。超导体在导电时具有电阻为零的特性，那里不可能存在其他粒子，从而形成一个“间隙”，这样马约拉纳子就不可能衰变。“超导间隙保护了马约拉纳子。”达斯·萨尔马说——至少在理论上是这样。

自2010年以来，实验学家们一直在竞相使用超导体、纳米线和磁场的复杂组合来制造真正的马约拉纳准粒子。2018年，一组研究人员在《自然》杂志上报告说，他们观察到了马约拉纳子的关键特征。但外界专家对数据分析的某些方面提出了质疑，2021年3月早些时候，这篇论文被撤回。

想象出一个可能的准粒子是一回事，在接近绝对零度的实验中观察到它又是另一回事，样品的每个原子都要待在正确的位置，微小的杂质就能毁掉一切。萨尔玛并没有被吓倒。“我向你保证，马约拉纳子将会被观测到，因为它的理论是崭新的。这是一个工程问题；这不是物理问题。”

用极化激元构造黑洞

准粒子的世界正变得越来越庞大，一系列不同寻常的特征给物理学家提供了可以建造各种系统的工具箱。这些系统可以是很难或者根本不可能触及的，比如说黑洞。

巴黎索邦大学卡斯特勒-布罗塞尔实验室的马克西姆·雅克(Maxime Jacquet)说：“有了这些类似物，我们便想去探索我们用手无法触及的物理现象。”

宇宙中某些地方引力变得非常强，以至于光也无法逃脱，这就是黑洞。你可以模拟一个简单的黑洞：把浴缸里的塞子拔出来，看着水顺着排水口打旋。太靠近排水管的水波不可避免地会被吸入漩涡。雅克和他的合作者用极化激元进行了更好的模拟。

旋转的极化激元流体类比旋转的黑洞。第一张图显示了不同位置的流体密度，中间较暗区域的边缘就像黑洞的事件视界。第二张图中，流体的相位图显示了它的涡流。

极化激元可以看成是物质和光的混合体。研究人员用两个反射镜将光子困在一个笼子里，笼子里也有一个激子(exciton)，激子本身是一种准粒子，由一对相互环绕的电子和空穴组成（不同于马约拉纳准粒子，激子是在同一时间在同一地点的半个电子和半个空穴。）光子在反射镜之间来回反弹大约一百万次后才能逃逸出去，当它反弹时，光子与激子混合形成一个极化激元。许多光子和激子以这种方式被囚禁起来并结合在一起，这些极性子的行为就像液态光（liquid light）一样，没有摩擦，也不会散射。研究人员设计了这些极化激元的流动来模拟光在黑洞中的运动。

液态光不稳定，并且光子最终会逃逸出去。正是这个会漏的笼子让雅克研究黑洞是如何随时间演化的。诺贝尔奖得主、数学物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）提出一个理论，他认为旋转的黑洞会失去能量并逐渐减速；雅克计划用极性子来验证这一观点。

“没有人能用天体物理学告诉你这一点，但我们可以。”雅克说，他承认，这是从实验室到实际黑洞的一个“飞跃”。

永不衰变的磁振子

如果准粒子可以衰变，它最终一定会衰变。例如，一个磁振子——一个由在物质中运动的磁场组成的准粒子——可以衰变为另外两个磁振子，只要这些产物的能量不大于原始磁振子的能量。

然而，准粒子是相当稳定的，大概有两个原因：它们是从温度非常低的系统中产生的，因此它们一开始几乎没有能量，而且它们之间的相互作用很弱，因此很少有扰动触发它们衰变。哈佛大学凝聚态物理学家鲁本·弗雷森（Ruben Verresen）说：“当存在大量的推力和拉力时，人们天真地认为衰变只会更快发生。”

但弗雷森的研究却颠覆了这一观点。在2019年发表的一篇论文中，他和他的同事描述了他们如何从理论上模拟衰变的准粒子，然后逐渐增强它们之间的相互作用强度，看看发生了什么。一开始，准粒子衰变得更快，正如预期的那样。但是，让弗雷森惊讶的是，当相互作用的强度变得非常强时，准粒子又反弹回来。他说：“突然你又有了一个准粒子，它具有无限长的寿命。”

研究小组随后进行了计算机模拟，探索了超冷磁铁的行为，他们看到不会发生衰变的磁振子。他们表明，他们对强相互作用准粒子的新理论，解释了2017年磁振子实验中一系列令人费解的现象。这些永恒的磁振子不仅仅是一个简洁的理论，而是在自然界中实现的。

研究结果表明，准粒子可能比研究人员曾经认为的要强大得多。粒子和准粒子之间的界线变得模糊了。“我看不到根本性的区别。”弗雷森说。

准粒子是由许多粒子排列而成的。但我们所称的基本粒子，如夸克、光子和电子，可能并不像我们想象的那么基本。一些物理学家怀疑这些表面上基本的粒子也是一种集体行为中演生（emergent）出来的——尽管从具体的情况来看，没有人能这么说。

“我们不知道电子、光子等实际产生的基本理论。我们相信有一些统一的框架。”加州大学圣巴巴拉分校研究物质量子态的理论家利昂·巴伦茨(Leon Balents)说。“我们认为的基本粒子可能不是基本粒子；它们是其他理论的准粒子。”

原文标题：顶着“粒子”的名头，我到底是谁？

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责任编辑:haq