令人费解的量子现象：电子在冷却过程中缓慢消失

来源：cnBeta 　2023-08-03 08:58:05

许多物质在冷却到某个临界温度以下时，其性质会发生变化。例如，水结冰时就会发生这种相变。然而，在某些金属中，存在着宏观世界中不存在的相变。之所以会出现这种相变，是因为量子力学的特殊规律适用于自然界最小的构件领域。人们认为，电子作为量子化电荷载体的概念不再适用于这些奇异的相变。

由局部电子和移动电子组成，在这里被超短光脉冲击碎。资料来源：波恩大学

科学家们现在找到了直接证明这一点的方法。他们的发现让人们对奇异的量子物理世界有了新的认识。波恩大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员在《自然-物理》（Nature Physics）杂志上发表了这篇论文。

(相关资料图)

了解相变

如果把水温降到零摄氏度（32 华氏度）以下，它就会凝固成冰。在此过程中，水的性质会突然发生变化。例如，作为冰，它的密度比液态时低得多。这就是冰块和冰山漂浮的原因。在物理学中，这被称为相变。

但也有一些相变是物质的特征逐渐发生变化。例如，如果将一块铁磁铁加热到 760 摄氏度（1400 华氏度），它就会失去对其他金属块的吸引力--这时它不再是铁磁性的，而是顺磁性的。然而，这并不是突然发生的，而是持续不断的：铁原子的行为就像微小的磁铁。

在低温下，它们彼此平行。加热时，它们会越来越多地围绕这一静止位置波动，直到完全随机排列，材料也就完全失去了磁性。因此，当金属被加热时，它既可能具有一定的铁磁性，也可能具有一定的顺磁性。

汉斯-克罗哈博士教授与学生。图片来源：Bernadett Yehdou/波恩大学

物质粒子无法被摧毁

可以说，相变是逐渐发生的，直到最后所有的铁都具有顺磁性。在这一过程中，相变的速度越来越慢。这种行为是所有连续相变的特征。

"我们称之为"临界放缓"，"波恩大学贝特理论物理中心的汉斯-克罗哈教授博士解释说。"原因在于，随着连续转变的发生，两相在能量上越来越接近。"

这就好比把一个球放在斜坡上：然后球会滚下坡，但高度差越小，滚动越慢。当铁被加热时，两相之间的能量差会越来越小，部分原因是磁化在转变过程中逐渐消失。

这种"减速"是基于玻色子激发的相变的典型现象。玻色子是"产生"相互作用的粒子（例如，磁性就是基于这种相互作用）。另一方面，物质不是由玻色子构成的，而是由费米子构成的。例如，电子就属于费米子。

相变的基础是粒子（或由粒子引发的现象）消失。这意味着，随着平行排列的原子数量减少，铁中的磁性会变得越来越小。"然而，费米子无法根据基本自然规律被摧毁，因此也不会消失，"克罗哈解释道。"这就是为什么通常情况下，它们从不参与相变"。

电子变成准粒子

电子可以被束缚在原子中；这样它们就有了一个固定的位置，无法离开。另一方面，金属中的一些电子可以自由移动，这就是为什么这些金属也能导电。在某些奇特的量子材料中，这两种电子可以形成叠加态。这就是所谓的准粒子。从某种意义上说，它们在同一时间既是不动的，又是可移动的--这只有在量子世界中才有可能实现。

与"正常"电子不同，这些准粒子可以在相变过程中被摧毁。这意味着在这里也能观察到连续相变的特性，特别是临界减速。

迄今为止，这种效应只能在实验中间接观察到。由理论物理学家汉斯-克罗哈（Hans Kroha）和苏黎世联邦理工学院曼弗雷德-费比希（Manfred Fiebig）实验小组领导的研究人员现在开发出了一种新方法，可以直接识别相变时的准粒子坍缩，特别是相关的临界减速。

克罗哈同时也是波恩大学"物质"跨学科研究领域和德国研究基金会"量子计算的物质与光"英才集群的成员。这项成果有助于更好地理解量子世界的相变。从长远来看，这些发现也可能有助于量子信息技术的应用。

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