如果你想了解某种材料的特性,那么你应该研究它的电子。食盐会形成立方晶体,这是因为它的原子以这种结构共享电子;银子能够闪光,这是因为它的电子能够吸收可见光并再辐射回来。一种材料的几乎所有特性都是由电子行为导致的,比如硬度、电导率以及熔点。

最近,物理学家对大量电子呈现集体量子力学行为的方式产生了兴趣。在某些材料中,一个晶体内的兆万亿个电子可以作为一个单位行动,这就像火蚁会抱成一团在洪水中求生。物理学家想了解这种集体行为,因为它跟材料的某些奇异特性具有潜在的联系,比如能够让电子畅行无阻的超导性。

去年,两组独立的研究团队设计出了名为“二维反铁磁体”的晶体,其电子可以集体模仿希格斯玻色子。通过精确地研究这种行为,研究人员认为,他们可以更好地了解支配材料的物理规律,并有可能发现新的物质状态。这是研究人员首次得以在这些材料中生成“希格斯模”(Higgs mode)。

“你是在创造一个小小的迷你版宇宙。”美国橡树岭国家实验室的物理学家大卫·艾伦·坦南特(David Alan Tennant)说,他与同事洪涛(Tao Hong,音)是其中一组研究团队的负责人。

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洪涛(Tao Hong,音)

这两组研究团队均通过中子轰击二维反铁磁体,从而引发电子进入类似于希格斯玻色子的行为模式。在这些微不可见的碰撞过程中,电子的磁场开始以一种在数学上类似于希格斯玻色子的模式化方式出现波动。

“希格斯模”不仅仅是数学上的奇闻趣事。如果一种晶体的结构允许其电子以这种方式活动,那么该材料极有可能拥有其他有趣的特性,马克斯普朗克固态研究所的物理学家伯恩哈德·凯默(Bernhard Keimer)如是说,他是另一组研究团队的负责人之一。

这是因为,当你得到“希格斯模”时,材料应该处于所谓的量子相变的边缘。也就是说,材料的特性即将发生巨大变化,就像灿烂春阳下的雪球一样。哈佛大学物理学家苏比尔·萨克达夫(Subir Sachdev)表示,“希格斯模”可以帮助我们了解量子相变的特性。这些量子效应往往意味着材料即将出现奇异的新特性。

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美国橡树岭国家实验室的研究团队利用由溴化铜制成的晶体,来制备二维反铁磁体。

举例来说,物理学家认为量子相变在某些材料中发挥着作用,比如只在表面导电而内部不导电的拓扑绝缘体。此外,研究人员还在高温超导体中观察到了量子相变,尽管其意义尚不清楚。传统的超导体需要被降温到接近绝对零度才能出现这样的效应,而高温超导体在温度高出数十度的液氮中就能达到相同的效果。

过去几年中,物理学家已经在其他超导体中创造出了“希格斯模”,但他们并不能完全理解其中到底发生了什么。通常用于研究“希格斯模”的材料都具有复杂的晶体结构,这增加了理解其中物理学原理的难度。

因此,凯默和坦南特的团队都着手在更简单的系统中生成“希格斯模”。他们的反铁磁体是所谓的二维材料:尽管每个晶体都以三维块状物的形式存在,但那些块状物是由堆叠在一起的二维原子层构成的,后者或多或少是独立行动的。有点矛盾的是,在这些二维材料中生成“希格斯模”,其实验难度会更大。物理学家之前并不确定是否可以成功。

然而,成功完成的实验表明,我们有可能利用现有的理论工具来解释“希格斯模”的演变。凯默的团队发现,“希格斯模”的行为与希格斯玻色子相似。在粒子加速器(比如大型强子对撞机)内部,一个希格斯玻色子会迅速衰变成其他粒子,比如光子。在凯默的反铁磁体中,“希格斯模”演变成了不同的集体电子运动,与名为戈德斯通玻色子的粒子很像。该团队通过实验证实,“希格斯模”的演变符合他们的理论预测。

坦南特的团队发现了一种方法,可以让他们的材料生成的“希格斯模”不会消亡。这些知识有助于他们弄清如何开启其他材料的其他量子特性,比如超导电性。“我们希望了解的是,如何在系统中维持量子行为。”坦南特说。

这两组团队都希望自己的研究能够超越“希格斯模”的范畴。凯默的目标是在反铁磁体中真正观察到量子相变,而那可能会伴随着其他奇异现象。“这种事经常发生。”他说,“你本来想研究一个特定的量子相变,结果出现了其他东西。”

此外,他们只是想进行探索而已。他们预计,有更多怪异的物质特性与“希格斯模”存在关联,其中一些可能还没有被我们预想到。“我们的大脑对量子系统没有天然的直觉。”坦南特说,“探索大自然充满了惊喜,因为到处都是我们从未想到过的东西。”


翻译:何无鱼

校对:其奇

编辑:漫倩

来源:Quanta Magazine

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