驚喜發現！科學家首次在地球上觀測到量子異常

天下 07-25

一支國際科學家小組在對新材料外爾半金屬進行觀測時，發現了奇異的量子異常現象，他們曾一度以為這種現象只能由愛因斯坦相對論闡述的時空扭曲引發。

研究論文的主執筆人約翰尼斯·古斯表示：「這是我們首次在地球上通過實驗手段觀測到量子異常，對於了解宇宙具有非常重要的意義。現在，我們能夠製造基於這種量子異常情況的新式固態設備，從而避免晶體管等經典電子設備的一些固有問題，這也是我們以前從未想到過的一種進步。」

（研究論文合著者、弦理論學家卡爾·蘭德斯特納繪製的圖解，解釋量子異常現象）

現代物理學提出了一系列有關現實世界的怪異的、違反直覺的觀念和理論，尤其是有關於量子物理學。在量子物理世界，物體會處於奇異的疊加狀態，例如大名鼎鼎的「薛定諤的貓」。根據這一假設，箱中之貓處於「死—活疊加態」（既死了又活著），要等到打開箱子看貓一眼才能判定它的生死。

有時候，量子力學更具有決定性，甚至是破壞性。

「對稱性」是物理學家心中的聖杯。對稱性意味著，我們能夠以一種確定方式改變一個物體，同時讓它處於「不變」狀態。例如，一個圓球可以朝著任意角度旋轉，但看上去始終一樣，物理學家將其稱之為旋轉下的對稱性。通常一旦確定一個物理系統的對稱性，便可預測其動力學變化。

但有的時候，量子力學定律會破壞對稱性，這在物理學家看來也非常怪異，通常稱之為「異常」。在量子異常的研究史上，這種現象差不多僅限於基本粒子物理學。

有很多巨型加速器實驗室正在開展這方面的研究，例如歐洲核子研究組織的大型強子對撞機。如今，類似3D石墨烯的新材料外爾半金屬也使得我們將破壞對稱性的量子異常應用於日常現象，比如產生電流。

在這種奇異材料內部，電子行為與高能加速器研究的基本粒子一模一樣。這些粒子擁有一個奇異特性——永無止息，始終以恆定速度移動。此外，它們還有一個「旋轉」的特性，給人的感覺就是它們好像被綁上一塊微型磁鐵，分成兩類，旋轉方向要麼與移動方向相同，要麼相反。

（一支國際研究小組在新材料外爾半金屬內探測到量子異常。科學家一度認為只能在宇宙深處觀測到這種現象。研究發現刊登在《自然》雜誌上。）

粒子既有左旋，又有右旋的特性被稱之為「手征性」，而兩種粒子的唯一差異就在於它們的手征性。通常情況下，粒子的對稱性「井水不犯河水」，數量保持恆定；但是，量子異常能夠破壞它們的和平共存，將左旋粒子變成右旋粒子，反之亦然。

據《自然》雜誌7月21日刊登的研究，一支由物理學家、材料學家和弦理論學家組成的國際小組對這種新材料進行觀測，發現了最為怪異的量子異常現象。

在此之前，科學家一直認為這種現象只能由愛因斯坦相對論闡述的時空扭曲所導致。令研究小組感到吃驚的是，他們居然可以在地球上的固態物理學世界發現這種現象，而固態物理學則是計算產業（包括微晶體管和雲數據中心在內）的重要基石。

約翰尼斯·古斯（研究論文主執筆人、IBM研究院科學家）表示：「這是我們首次在地球上通過實驗手段觀測到量子異常，對於了解宇宙具有非常重要的意義。現在，我們能夠製造基於這種量子異常情況的新式固態設備，從而避免晶體管等經典電子設備的一些固有問題，這也是我們以前從未想到過的一種進步。」

計算結果顯示，如果在施加磁場的同時對外爾半金屬進行加熱，這種重力異常將會導致電流的產生。研究論文合著者、UAM/CSIC理論物理學研究所弦理論學家卡爾·蘭德斯特納教授表示：「這是一項不可思議的發現，我們的研究表明可以在任何物理系統觀測到對稱性的打破，不管是在宇宙誕生之初還是在今時今日的地球，這讓人感到異常興奮。」

根據IBM科學家的預測，這一發現將促使感測器、開關、熱電冷卻器和能量收集裝置的研發取得一系列新進展，進一步降低能耗。

註：UAM（Universidad Autónoma de Madrid）馬德里自治大學

CSIC——西班牙高級科學研究理事會

IBM（International Business Machines Corporation）國際商用機器公司

文章資料來源

https://phys.org/news/2017-07-scientists-gravitational-anomaly-earth_1.html

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