科学家脑洞大开,利用奇异材料破解量子难题

  • 日期:07-22
  • 点击:(762)

百乐宫官网

1562923097607122554.jpg

如果您想了解材料的属性,那么您应该研究它的电子学。盐形成立方晶体,因为它的原子在这个结构中共享电子;银会闪烁,因为它的电子吸收可见光,然后向后辐射。几乎所有材料的性质都是由电子行为引起的,例如硬度,导电性和熔点。

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,晶体中的数万亿个电子可以作为一个单元,就像火蚁可以聚集在一起在洪水中生存一样。物理学家想要理解这种集体行为,因为它与材料的某些奇异性质有潜在的联系,例如允许电子不受阻碍地传播的超导性。

去年,两个独立的研究小组设计了一种名为“二维反铁磁性”的晶体,其电子共同模仿希格斯玻色子。通过准确地研究这种行为,研究人员相信他们可以更好地理解管理材料的物理定律,并可能发现新的物质状态。这是研究人员第一次能够在这些材料中产生“希格斯模式”。

“你正在创造一个宇宙的小型迷你版本。”美国橡树岭国家实验室的物理学家大卫艾伦坦南特说,他和他的同事陶红。它是其中一个研究小组的负责人。

1562924111618651830.jpg

洪涛(陶红,音)

两组研究人员用中子轰击二维反铁磁性,触发电子成为类似于希格斯玻色子的行为模式。在这些微观的不可见碰撞中,电子的磁场开始以与希格斯玻色子在数学上相似的模式波动。

“希格斯模型”不仅仅是一个数学轶事。马克斯普朗克固体研究所的物理学家Bernhard Keimer说,如果晶体结构允许其电子以这种方式移动,那么这种材料很可能具有其他有趣的特性。说他是另一组研究小组的负责人之一。

这是因为当你得到“希格斯模式”时,材料应该处于所谓的量子相变的边缘。换句话说,材料的特性即将发生巨大变化,就像明媚的春日阳光下的雪球一样。哈佛物理学家苏比尔萨克德说,“希格斯模式”可以帮助我们理解量子相变的特征。这些量子效应通常意味着材料即将具有奇怪的新特征。

1562924111616019336.jpg

美国橡树岭国家实验室的研究小组使用由溴化铜制成的晶体来制备二维反铁磁体。

例如,物理学家认为量子相变在某些材料中起作用,例如拓扑绝缘体只在表面上导电而在内部不导电。此外,研究人员已观察到高温超导体中的量子相变,尽管其意义尚不清楚。传统的超导体需要冷却到接近绝对零度以具有这种效果,并且高温超导体可以在高于几十度的温度下在液氮中实现相同的效果。

在过去的几年里,物理学家在其他超导体中创造了“希格斯模式”,但他们无法完全理解其中发生的事情。通常用于研究“希格斯模式”的材料具有复杂的晶体结构,这增加了理解物理原理的难度。

因此,Kemmer和Tannant的团队开始在更简单的系统中生成Higgs模型。它们的反铁磁体是所谓的二维材料:尽管每个晶体以三维块的形式存在,但这些块由堆叠的二维原子层构成,这些原子层或多或少独立地起作用。矛盾的是,在这些二维材料中生成希格斯模式更加困难。物理学家不确定他们是否能成功。

然而,成功的实验表明,可以使用现有的理论工具来解释希格斯模型的演变。 Keimer的团队发现希格斯模型的行为类似于希格斯玻色子的行为。在粒子加速器中,例如大型强子对撞机,希格斯玻色子迅速衰变成其他粒子,如光子。在Keimer的反铁磁体中,希格斯模式演变成不同的集体电子运动,就像称为Goldstone玻色子的粒子一样。通过实验,该团队证实希格斯模型的演化符合他们的理论预测。

Tannant的团队已经找到了一种方法来保持他们的材料生成的希格斯模型。这些知识有助于他们弄清楚如何打开其他材料的其他量子特性,例如超导性。 “我们想知道的是如何在系统中维持量子行为。”坦坦说。

两个组织都希望他们的研究超出希格斯模型的范围。 Kemmer的目标是实际观察反铁磁体中的量子相变,这可能伴随着其他奇怪的现象。 “它一直在发生。”他说,“你想研究一个特定的量子相变,还有其他的东西出现了。”

此外,他们只是想探索。他们预计希格斯模型中存在更多奇异的物理属性,其中一些可能没有被预料到。 “我们的大脑对量子系统没有自然的直觉。” “探索大自然充满了惊喜,因为它充满了我们以前从未想过的东西,”坦坦说。

译者:没有鱼

校对:奇怪

编辑:英子

资料来源:广达杂志

创作:戏剧风格的离线语音平台,发现创造力