科學家腦洞大開，利用奇異材料破解量子難題

如果你想了解某種材料的特性，那麼你應該研究它的電子。食鹽會形成立方晶體，這是因為它的原子以這種結構共享電子；銀子能夠閃光，這是因為它的電子能夠吸收可見光並再輻射回來。一種材料的幾乎所有特性都是由電子行為導致的，比如硬度、電導率以及熔點。

最近，物理學家對大量電子呈現集體量子力學行為的方式產生了興趣。在某些材料中，一個晶體內的兆萬億個電子可以作為一個單位行動，這就像火蟻會抱成一團在洪水中求生。物理學家想了解這種集體行為，因為它跟材料的某些奇異特性具有潛在的聯繫，比如能夠讓電子暢行無阻的超導性。

去年，兩組獨立的研究團隊設計出了名為「二維反鐵磁體」的晶體，其電子可以集體模仿希格斯玻色子。通過精確地研究這種行為，研究人員認為，他們可以更好地了解支配材料的物理規律，並有可能發現新的物質狀態。這是研究人員首次得以在這些材料中生成「希格斯模」（Higgs mode）。

「你是在創造一個小小的迷你版宇宙。」美國橡樹嶺國家實驗室的物理學家大衛·艾倫·坦南特（David Alan Tennant）說，他與同事洪濤（Tao Hong，音）是其中一組研究團隊的負責人。

洪濤（Tao Hong，音）

這兩組研究團隊均通過中子轟擊二維反鐵磁體，從而引發電子進入類似於希格斯玻色子的行為模式。在這些微不可見的碰撞過程中，電子的磁場開始以一種在數學上類似於希格斯玻色子的模式化方式出現波動。

「希格斯模」不僅僅是數學上的奇聞趣事。如果一種晶體的結構允許其電子以這種方式活動，那麼該材料極有可能擁有其他有趣的特性，馬克斯普朗克固態研究所的物理學家伯恩哈德·凱默（Bernhard Keimer）如是說，他是另一組研究團隊的負責人之一。

這是因為，當你得到「希格斯模」時，材料應該處於所謂的量子相變的邊緣。也就是說，材料的特性即將發生巨大變化，就像燦爛春陽下的雪球一樣。哈佛大學物理學家蘇比爾·薩克達夫（Subir Sachdev）表示，「希格斯模」可以幫助我們了解量子相變的特性。這些量子效應往往意味著材料即將出現奇異的新特性。

美國橡樹嶺國家實驗室的研究團隊利用由溴化銅製成的晶體，來製備二維反鐵磁體。

舉例來說，物理學家認為量子相變在某些材料中發揮著作用，比如只在表面導電而內部不導電的拓撲絕緣體。此外，研究人員還在高溫超導體中觀察到了量子相變，儘管其意義尚不清楚。傳統的超導體需要被降溫到接近絕對零度才能出現這樣的效應，而高溫超導體在溫度高出數十度的液氮中就能達到相同的效果。

過去幾年中，物理學家已經在其他超導體中創造出了「希格斯模」，但他們並不能完全理解其中到底發生了什麼。通常用於研究「希格斯模」的材料都具有複雜的晶體結構，這增加了理解其中物理學原理的難度。

因此，凱默和坦南特的團隊都著手在更簡單的系統中生成「希格斯模」。他們的反鐵磁體是所謂的二維材料：儘管每個晶體都以三維塊狀物的形式存在，但那些塊狀物是由堆疊在一起的二維原子層構成的，後者或多或少是獨立行動的。有點矛盾的是，在這些二維材料中生成「希格斯模」，其實驗難度會更大。物理學家之前並不確定是否可以成功。

然而，成功完成的實驗表明，我們有可能利用現有的理論工具來解釋「希格斯模」的演變。凱默的團隊發現，「希格斯模」的行為與希格斯玻色子相似。在粒子加速器（比如大型強子對撞機）內部，一個希格斯玻色子會迅速衰變成其他粒子，比如光子。在凱默的反鐵磁體中，「希格斯模」演變成了不同的集體電子運動，與名為戈德斯通玻色子的粒子很像。該團隊通過實驗證實，「希格斯模」的演變符合他們的理論預測。

坦南特的團隊發現了一種方法，可以讓他們的材料生成的「希格斯模」不會消亡。這些知識有助於他們弄清如何開啟其他材料的其他量子特性，比如超導電性。「我們希望了解的是，如何在系統中維持量子行為。」坦南特說。

這兩組團隊都希望自己的研究能夠超越「希格斯模」的範疇。凱默的目標是在反鐵磁體中真正觀察到量子相變，而那可能會伴隨著其他奇異現象。「這種事經常發生。」他說，「你本來想研究一個特定的量子相變，結果出現了其他東西。」

此外，他們只是想進行探索而已。他們預計，有更多怪異的物質特性與「希格斯模」存在關聯，其中一些可能還沒有被我們預想到。「我們的大腦對量子系統沒有天然的直覺。」坦南特說，「探索大自然充滿了驚喜，因為到處都是我們從未想到過的東西。」

翻譯：何無魚

校對：其奇

編輯：漫倩

來源：Quanta Magazine

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