“物質宇宙”驚現新粒子

何巖

一個國際研究團隊預測出了一種存在于金屬物質中的新型粒子——Ⅱ型威爾費米子。研究人員推斷，這種粒子存在于二碲化鎢中。他們將之比作“物質宇宙”，因為它包含幾種不同的粒子，這些粒子有的就存在于我們的宇宙中，其他的可能只存在于某些特別的晶體中。

這種新發現的粒子是威爾費米子的表親，也是標準量子場論的粒子之一。該項研究由普林斯頓大學物理系副教授B.安德烈·百奈威、瑞士蘇黎世聯邦技術研究所的馬提亞·特耶羅和阿列克謝·索盧亞諾夫以及中國科學院物理研究所的戴希牽頭，團隊成員有普林斯頓大學博士后研究助理王志軍和瑞士蘇黎世聯邦技術研究所博士后研究助理吳全勝，以及瑞士蘇黎世聯邦技術研究所的研究生多米尼克·格萊琴。

研究人員稱，85年前量子理論剛起步時，物理學家赫爾曼·威爾未能發現這種粒子，是因為它的存在違反了洛倫茲對稱的基本原則。

相對量子場理論描繪了我們宇宙中的粒子，該理論結合了量子力學和愛因斯坦的相對論。依據這一理論，固體是由原子形成的，原子是由電子圍繞原子核運動構成的。因為絕對數量的電子之間互相作用，所以根本不可能利用量子力學理論完全解決固體中多電子運動的難題。

我們關于物質的現有知識都源于一個簡化的觀點：固體中的電子都被描述成一種特殊的、不與其他粒子相互作用的粒子——準粒;而在等效磁場中，由帶電實體創造的叫離子和電子。這些準粒子被稱作布洛赫電子，也是費米子。

正如電子是物質宇宙中的一種基本粒子，我們可以將布洛赫電子看作固體中的基本粒子。換言之，對它們自己的基本粒子來說，晶體本身就成了“宇宙”。

近年來，研究人員發現這種“物質宇宙”可以承載相對量子場論中的所有粒子，并在這種物質中發現了三種準粒子：狄拉克費米子、馬約拉納費米子和威爾費米子。盡管在長時間的實驗中兩種粒子還是不見蹤影，但是這也為利用相對較低的費用在這些凝聚態晶體中進行小規模實驗、模擬量子場理論的某些特定預測開拓了路徑。

百奈威說：“如果一個人的想象力能夠更進一步，就會想知道那些相對量子場理論尚不知曉的粒子是否可以出現在凝聚態的物體中。”按照這些研究人員的說法，有理由相信這是有可能的。

由量子場理論描述出來的宇宙是受到特定規則集和對稱性（即洛倫茲對稱）嚴格約束的，這是高能粒子的特征。然而洛倫茲對稱并不適用于凝聚態物體，因為固體中典型電子的運轉速度比光速慢很多，這就使凝聚態物體物理學成為低能理論。

索盧亞諾夫說：“可能會有人想，某些物質中的非相對基本粒子是否有可能不符合洛倫茲對稱的原則。”

這項研究的成果給了這個問題一個肯定的答案。這項工作開始于2014年11月，當時索盧亞諾夫和戴希正在拜訪普林斯頓大學的百奈威，他們的討論轉向了磁場中特定金屬那些前所未有的、奇怪的運轉狀態（研究結論發表于《自然》雜志2014年第514期，201頁至208頁）。實驗物理學家已經在一些物質中觀察到了這種行為，但是還要做很多工作才能確定它的確是跟一種新型粒子聯系在一起的。

研究人員發現，雖然相對論只允許存在一種威爾費米子，但是在凝聚態固體中，可能存在兩種完全不同的威爾費米子。標準的I型費米子在零點能下有兩種存在狀態，這和電子只能高速地向上或者向下旋轉相似。這種威爾費米子存在于相對場論中，也是在保持洛倫茲不變性的情況下唯一被允許存在的費米子。

新近預測出的Ⅱ型威爾費米子在零點能下有一個熱力動力學數量的存在狀態。它有費米面。它的費米面其實是外來的，在費米面中，它和觸點一起出現在電子和電洞口袋之間，賦予Ⅱ型威爾費米子一種有限密度的狀態，也就打破了洛倫茲對稱性。

這項發現開啟了許多新的方向。大多數正常金屬處于磁場中時電阻率都會增大，這個已知的作用也被廣泛應用于當代科技。普林斯頓大學和英國皇家物理學會北京分會的兩組實驗成果顯示，如果電場和磁場作用于同一方向，電阻率其實可以減小。這種作用被稱為負縱向磁電阻。包含Ⅱ型威爾費米子的物質有著混合的運行狀態：若它和磁場方向相同，則和正常金屬一樣電阻率增大;若方向不同，則可以像在威爾半金屬中一樣電阻率減小。這也提供了許多潛在的應用于材料研發的可能。

研究人員稱：“更引人入勝的是能在其他凝聚態系統中發現更多的基本粒子。還有什么別的粒子隱藏在這些‘物質宇宙中呢？其實，存在于物質中的那些令人意想不到的費米子才剛剛開始‘浮出水面呢！”

延伸閱讀

恩利克·費米，美籍意大利著名物理學家，1938年諾貝爾物理學獎得主。費米領導一個研究小組在芝加哥大學建立了人類第一臺可控核反應堆，人類從此邁入原子能時代。

費米在理論和實驗方面都有第一流的建樹，這在現代物理學家中是屈指可數的。100號化學元素鐨、著名的費米實驗室、芝加哥大學的費米研究院，以及原子核物理學中使用的費米單位都是為紀念他而命名的。費米人生的最后幾年，主要從事高能物理研究。1949 年，他揭示了宇宙射線中原粒子的加速機制，研究了π介子、μ子和核子的相互作用，提出宇宙射線起源理論。19 52年，他發現了第一個強子共振——同位旋四重態。1949年，他與楊振寧合作，提出基本粒子的第一個復合模型。

費米面是指在絕對零度下，波矢空間（波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個矢量，其大小表示波數，其方向表示波傳播的方向。波矢有兩種常見的定義，區別在于振幅因子是否乘以2π，分別用于物理學和晶體學以及它們的相關領域）中電子占據態與未占據態之間的分界面。根據量子力學理論，具有半奇數自旋量子數的費米子，如電子，遵循泡利不相容原理（一個量子態只能被一個粒子所占據），因此，費米子在能級中的分布遵循費米—狄拉克分布。一個由無相互作用的費米子組成的系統的基態模型可按照如下方法構造：從無粒子系統開始，將粒子逐個填入現存未被占據的最低能量的量子態，直到所有量子態全部填完。此時，系統的費米能就是占據最高分子軌道的能量，費米面則是波矢空間中費米能量構成的表面。實際上，晶體的能帶結構十分復雜，相應的費米面形狀也很復雜，最簡單的情況是理想費米球的費米面。可用來測量金屬費米面的實驗技術有磁阻效應、回旋共振等。