澎湃新聞?dòng)浾?王蕙蓉
近日，中外科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)軸向希格斯模式的量子激發(fā)態(tài)，或有助于未來(lái)在室溫條件下對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化。相關(guān)成果發(fā)表在《自然》(Nature)。
圖片來(lái)自《自然》(Nature)
前述團(tuán)隊(duì)由美國(guó)波士頓學(xué)院研究人員領(lǐng)導(dǎo)，并由美國(guó)能源部國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心QSC提供支持。團(tuán)隊(duì)成員有哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校、耶魯大學(xué)、華盛頓大學(xué)等科學(xué)家，其中還包括中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所副研究員呂紅艷。
要理解軸向希格斯模式，首先要了解物理學(xué)最基本的理論之一：粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。如圖所示，“圓盤(pán)”代表了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，每個(gè)字母均表示一種基本粒子，即內(nèi)部沒(méi)有結(jié)構(gòu)、無(wú)法分割的粒子。粒子間相互作用，解釋了世界的構(gòu)成，并形成了一個(gè)系統(tǒng)，即標(biāo)準(zhǔn)模型。
“圓盤(pán)”最外圈為六種夸克和六種輕子，輕子包括人們所熟知的電子、μ介子、τ介子和它們相對(duì)應(yīng)的中微子；中間一圈為光子、膠子、W玻色子、Z玻色子，均是傳遞相互作用的粒子；最中心的則是希格斯玻色子（即“上帝粒子”），于2012年在CMS和ATLAS（即歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的實(shí)驗(yàn)）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)。希格斯玻色子賦予了前述其它基本粒子的質(zhì)量。
常規(guī)希格斯模式是由粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中為基本粒子提供質(zhì)量的希格斯機(jī)制所形成。與常規(guī)希格斯模式不同，軸向希格斯模式在室溫下就可以進(jìn)行觀測(cè)。室溫條件這一特性可以幫助科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中更有效、更經(jīng)濟(jì)地操控量子材料，以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，包括新一代存儲(chǔ)器和光電設(shè)備。而以往這些設(shè)備通常都需要極低的溫度條件。
軸向希格斯模式在稀土三碲化物(RTe3)中表現(xiàn)為低能激發(fā)。稀土碲化物是一類以展現(xiàn)電荷密度波(CDW)相互作用而聞名的量子材料。
為了測(cè)量軸向希格斯模式，研究人員使用拉曼光譜來(lái)觀測(cè)量子路徑干涉。量子路徑干涉可用于展示量子力學(xué)對(duì)物質(zhì)的控制作用。拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.拉曼(Raman)所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析，得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，以表征復(fù)雜材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的分析方法。他們?cè)诙鄠€(gè)稀土CDW系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了量子路徑干涉，并且這種現(xiàn)象一直持續(xù)到室溫，對(duì)軸向希格斯模式與附近聲子的混合或材料中的振動(dòng)不敏感。
研究人員證實(shí)了軸向希格斯模式的存在，這種粒子激發(fā)態(tài)在圖中被描述為一個(gè)金色的球體；他們使用拉曼光譜學(xué)，將入射電場(chǎng)(藍(lán)色部分)與粒子耦合，隨后散射成不同的頻率(紅色部分)，圖片來(lái)自哈佛大學(xué)
“在實(shí)驗(yàn)桌上模擬軸向希格斯模式的物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)，為我們理解和使用奇異粒子開(kāi)辟了新的視野。”哈佛大學(xué)Narang實(shí)驗(yàn)室博士后Ioannis Petrides說(shuō)道。
大部分顯著的量子活動(dòng)出現(xiàn)在極低溫度下，這需要依賴液氦的稀釋制冷機(jī)，否則量子材料的物理特性會(huì)無(wú)法觀測(cè)到或被噪聲掩蓋。盡管前述研究小組對(duì)CDW樣本進(jìn)行了冷卻，但他們發(fā)現(xiàn)，即使將材料加熱到室溫，光譜測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)或波長(zhǎng)仍然保持干凈。
研究人員預(yù)計(jì)，軸向希格斯模式可能也存在于超導(dǎo)體和磁性材料中，這將允許實(shí)驗(yàn)人員在不依賴極端條件（例如極低溫度環(huán)境）或大規(guī)模設(shè)施下，對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化。
研究人員表示，包含軸向希格斯模式的材料甚至可以用作新的量子傳感器，以對(duì)其他量子系統(tǒng)進(jìn)行分類。進(jìn)一步對(duì)其研究可能會(huì)幫助理解暗物質(zhì)現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)模型解釋。
前述工作標(biāo)志著在量子材料中探索包括軸向希格斯模式的奇異集體模式(exotic collective modes)的重要里程碑。哈佛大學(xué)助理教授、美國(guó)能源部國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心QSC首席研究員Prineha Narang認(rèn)為，這一成果是高能物理學(xué)與凝聚態(tài)物質(zhì)領(lǐng)域之間的多學(xué)科交叉研究邁出的重要一步。
責(zé)任編輯：李躍群
校對(duì)：張艷
