被熱炒的「量子球狀閃電」，其實是種「粒子」

科學家創造出「量子球狀閃電」?!近日,新華社報道「量子球狀閃電」被造出,極具科幻大片色彩,攫住不少眼球,被多家網站轉載,然而研究卻和閃電沒有一點關係。

其實,此次報道的發表於美國《科學進展》上的研究,既沒有闡明出球狀閃電的發生機理,也沒有在量子世界裡再現球狀閃電,業內人士揶揄此篇報道中的球狀閃電是「腦補的」。那麼這篇論文究竟做了哪些研究?獲得了哪些創造性進展呢?

沒有「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》,其中根本沒有討論閃電,「故事」的主角是一種被稱為「斯格明子」的「粒子」。斯格明子遠沒有「上帝粒子」「天使粒子」那麼「有名」,但同樣也被科學家探求了幾十年。「斯格明子並不是62種基本粒子之一,它是基於材料中的固有相互作用,形成的一種基本磁性單元。」清華大學副教授於浦解釋。資料顯示,英國物理學家托尼·斯格明於1962年首次預言這種粒子的存在。但直到2009年,德國物理學家繆保爾等才觀測到磁性斯格明子存在的實驗證據。

斯格明子的證實讓信息社會為之一振。現代硬碟的磁性單元約為100納米,斯格明子這一磁性單元在尺度上可以僅為幾納米,這將使得磁性存儲的載體變得更小。在可以預見的未來,以斯格明子為單元的TB級別(萬億位元組)的硬碟可能只有紐扣大小。

「在非常微弱的電流驅動下,它就能高效運動,這將使得斯格明子作為信息載體在存取信息時速度更快。」清華大學物理系助理教授江萬軍解釋道。此外,在斷電的情況下,信息也可以得到完整保存,因而斯格明子被認為是下一代高密度、高速度、低耗能、非易性的自旋存儲器件中的優良信息載體,從而得到業界廣泛關注。

我國科學家在該領域正在深入探索,並取得了多個原創性成果。為了研究以斯格明子為單元的自旋存儲以及邏輯器件,國家重點研發計劃納米專項支持了斯格明子的相關研究,江萬軍也參與其中。

獲得更多斯格明子的新途徑

在電子顯微鏡下,斯格明子宛如物質整體中的一個個「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材料的關鍵問題之一。「當電子跑進斯格明子後,電子的運動方式就不一樣了,傾向於跟著斯格明子運動。」江萬軍說。可以想像,斯格明子更像是一種「金鐘罩」的概念。

過往對新材料體系的獲取,多是通過各種方法對材料體系的整體進行調整,使其產生斯格明子。例如,通過打破界面反演對稱性破缺,江萬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),並能在室溫下穩定存在。

「傳統的固體裡面,通過控制材料的內稟特性來控制電子自旋的狀態,就可以製備出斯格明子」,於浦解釋,而此次的研究卻是通過操作原子狀態實現的。

「該研究通過電磁場操控,使得銣原子的排列形成了類似斯格明子的結構。同時也擁有了斯格明子的各種拓撲物理性質。」江萬軍說。

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—愛因斯坦凝聚態(BEC),讓原子失去個性,所有原子擁有相同的量子態,以便可以通過電磁場進行操控,從而形成三維形狀的斯格明子自旋結構。

BEC+磁場,開啟時髦研究方向

「用原子的BEC態模擬凝聚態物理系統中的強關聯行為最近變成了一個熱門的研究方向。」於浦說,「凝聚態物理研究的是我們現實生活中的固體,固體內部非常複雜,存在各種粒子或准粒子,以及它們相互之間的強電磁作用,而科學家們現在可以利用單一狀態的原子來模擬它們的相互作用。」這種研究手段,將為我們了解、重現固體中複雜的內部結構提供解決方案,其中原子的BEC特性會起到非常重要的作用。BEC是科學巨匠愛因斯坦在80年前預言的一種新物態,這裡的「凝聚」表示原來不同狀態的原子突然「凝聚」到同一狀態(一般是基態)。

這樣的狀態加上變幻的電磁場,就可以用來模擬固體物質內部粒子的不同狀態,進而將複雜問題簡化,幫助科學家了解複雜固體內部的相互作用。江萬軍認為,「此次的實驗結果更進一步,從2維拓展到3維體系」。利用空間變化的磁場,對微觀世界達成可計算、可預測的操控,將為科學家提供更多的問題解決思路。

作者: 張佳星

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