破鏡重圓？准粒子衰變並重新組裝自己！違反熱力學第二定律？

在宏觀世界中，衰變是無情的：破碎的物質無法重新組裝起來，比如你不能把破碎的鏡子再組裝回來原樣。然而，在量子世界中，其他定律也是有效的：新研究表明，所謂的准粒子能夠衰變並重新組裝自己，因此幾乎是不朽的。這些都是開發持久數據存儲器的良好前景。俗話說，沒有什麼是永恆的，物理定律證實了這一點：在我們的星球上，所有過程都會增加熵，從而導致分子無序。例如一個破碎的玻璃杯再也不能把自己重新組裝起來。

慕尼黑工業大學(TUM)和馬克斯·普朗克複雜系統物理研究所的理論物理學家發現，在日常世界中看似不可思議的事情在微觀層面上是可能的。到目前為止，人們的假設是，相互作用量子系統中的准粒子在一段時間後會衰變。現在知道事實恰恰相反：強相互作用甚至可以完全阻止衰變。晶體中的集體晶格振動，即所謂的聲子，就是這種准粒子的一個例子。准粒子的概念是由物理學家、諾貝爾獎得主列夫·達維多維奇·蘭道(Lev Davidovich Landau)提出。

數值方法開闢了新的視角

用它來描述許多粒子的集體狀態，或者更確切地說，由於電磁力的相互作用，由於這種相互作用，幾個粒子就像一個單獨的粒子。到目前為止，還不清楚在相互作用的系統中，哪些過程會影響這些准粒子的命運，直到現在，才擁有了能夠計算複雜相互作用的數值方法，以及性能足以求解這些方程的計算機。該研究的第一作者魯本·弗雷森(Ruben Verresen)說，精細模擬的結果是：

無可否認，准粒子確實會衰變，但新的、相同的粒子實體會從碎片中出現。如果衰變速度非常快，一段時間後就會發生相反的反應，碎片就會再次聚合。這個過程可能會無休止地重複，在破碎和重生之間出現持續的振蕩。從物理的角度來看，這種振蕩是一種轉化為物質的波，根據波粒二象性，這是可能的。因此，「不朽」准粒子不違反熱力學第二定律。它們的熵保持不變，衰變已經停止。

現實的檢驗

這一發現也解釋了迄今為止令人困惑的現象，實驗物理學家已經測量出磁性化合物Ba3CoSB2O9具有驚人的穩定性。其他准粒子，如旋子，則確保了氦這種地球表面的氣體在接近絕對零度時變成了液體，可以不受限制地流動。研究純粹是基礎研究，然而，完全有可能有一天，研究結果甚至會應用於應用領域，例如為未來量子計算機構建持久的數據存儲。物質的量子態，如固體、磁體和拓撲相，通常表現為集體激發(例如聲子、馬格農子和任意子)。

這些涉及到系統中許多粒子的運動，引人注目的是，行為就像一個單一的湧現實體——准粒子。准粒子被認為是在最低能量下長期存在，當遇到高能量下不可避免的多粒子激發態連續體時，准粒子預計會變得不穩定，而高能量下的多粒子激發態在運動學上會衰變。雖然這對於弱相互作用是正確的，但研究證明了強相互作用通過將准粒子推出連續體來穩定它們。這一普遍機制是直接說明在一個精確可解的模型。

利用最先進的數學方法，發現它在自旋1/2三角形晶格海森堡反鐵磁(TLHAF)中起作用，這是令人驚訝的預期。根據現有的實驗數據，研究確定了TLHAF材料2 Ba3CoSb2O9中避免衰變的詳細現象學，甚至在准粒子衰變的最早實例之一：液氦中也是如此。該研究將普遍的低能量定律之上的各種現象綜合起來加以描述。這拓寬了對多體激發態的理解，為在強相互作用狀態下控制和穩定量子物質提供了一個新視角。

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