当电子在冷却过程中慢慢消失时研究人员观察到量子世界特有的效应

2023-08-01 17:18:24 来源：互联网

导读许多物质在冷却到某个临界温度以下时会改变其性质。例如，当水结冰时，就会发生这种相变。然而，某些金属存在宏观世界中不存在的相变。它们...

许多物质在冷却到某个临界温度以下时会改变其性质。例如，当水结冰时，就会发生这种相变。然而，某些金属存在宏观世界中不存在的相变。它们的出现是由于量子力学的特殊定律适用于自然界最小的构建块领域。

据认为，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。波恩大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员现在找到了一种直接证明这一点的方法。他们的发现让我们对量子物理的奇异世界有了新的认识。该出版物现已发表在《自然物理学》杂志上。

(资料图)

如果将水冷却到零摄氏度以下，它就会凝固成冰。在此过程中，它突然改变了其属性。例如，作为冰，它的密度比液态低得多，这就是冰山漂浮的原因。在物理学中，这称为相变。

但也存在物质的特征逐渐改变的相变。例如，如果铁磁体被加热到760摄氏度，它就会失去对其他金属的吸引力，然后它就不再是铁磁体，而是顺磁体。然而，这并不是突然发生的，而是持续发生的：铁原子的行为就像微小的磁铁。

在低温下，它们彼此平行。当加热时，它们围绕这个静止位置波动越来越大，直到它们完全随机排列，并且材料完全失去磁性。因此，当金属被加热时，它可能既具有铁磁性，又具有顺磁性。

物质粒子无法被破坏

因此，相变是逐渐发生的，可以说，直到最后所有的铁都是顺磁性的。一路走来，转变速度越来越慢。这种行为是所有连续相变的特征。“我们称之为‘临界减速’，”波恩大学贝特理论物理中心的汉斯·克罗哈教授解释说。“原因是，随着连续的转变，这两个阶段在能量上变得越来越接近。”

这类似于将球放在斜坡上：然后它会滚下坡，但高度差异越小，它滚得越慢。当铁被加热时，相之间的能量差越来越小，部分原因是磁化强度在转变过程中逐渐消失。

这种“减速”对于基于玻色子激发的相变来说是典型的。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，物质不是由玻色子组成，而是由费米子组成。例如，电子属于费米子。

相变基于粒子(或由它们引发的现象)消失的事实。这意味着随着平行排列的原子越来越少，铁的磁性变得越来越小。“然而，由于基本的自然法则，费米子不能被破坏，因此也不能消失，”克罗哈解释道。“这就是为什么通常它们从不参与相变。”

电子变成准粒子

电子可以束缚在原子中;然后他们就有了一个不能离开的固定地点。另一方面，金属中的一些电子可以自由移动，这就是这些金属也可以导电的原因。在某些奇异的量子材料中，两种电子都可以形成叠加态。这会产生所谓的准粒子。

从某种意义上说，它们既是静止的又是可移动的——这一特征只有在量子世界中才可能实现。这些准粒子——与“正常”电子不同——可以在相变过程中被破坏。这意味着也可以在那里观察到连续相变的特性，特别是临界减速。

到目前为止，这种效应只能在实验中间接观察到。由理论物理学家HansKroha和ManfredFiebig领导的苏黎世联邦理工学院实验小组领导的研究人员现已开发出一种新方法，可以直接识别相变时准粒子的塌缩，特别是相关的临界减速。

克罗哈说：“这使我们首次直接表明，费米子中也可能发生这种减速。”他也是波恩大学跨学科研究领域“物质”和卓越集群的成员。德国研究基金会的“量子计算的物质与光”。该结果有助于更好地理解量子世界中的相变。从长远来看，这些发现也可能对量子信息技术的应用有用。

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