“物质宇宙”惊现新粒子

何岩

一个国际研究团队预测出了一种存在于金属物质中的新型粒子——Ⅱ型威尔费米子。研究人员推断，这种粒子存在于二碲化钨中。他们将之比作“物质宇宙”，因为它包含几种不同的粒子，这些粒子有的就存在于我们的宇宙中，其他的可能只存在于某些特别的晶体中。

这种新发现的粒子是威尔费米子的表亲，也是标准量子场论的粒子之一。该项研究由普林斯顿大学物理系副教授B.安德烈·百奈威、瑞士苏黎世联邦技术研究所的马提亚·特耶罗和阿列克谢·索卢亚诺夫以及中国科学院物理研究所的戴希牵头，团队成员有普林斯顿大学博士后研究助理王志军和瑞士苏黎世联邦技术研究所博士后研究助理吴全胜，以及瑞士苏黎世联邦技术研究所的研究生多米尼克·格莱琴。

研究人员称，85年前量子理论刚起步时，物理学家赫尔曼·威尔未能发现这种粒子，是因为它的存在违反了洛伦兹对称的基本原则。

相对量子场理论描绘了我们宇宙中的粒子，该理论结合了量子力学和爱因斯坦的相对论。依据这一理论，固体是由原子形成的，原子是由电子围绕原子核运动构成的。因为绝对数量的电子之间互相作用，所以根本不可能利用量子力学理论完全解决固体中多电子运动的难题。

我们关于物质的现有知识都源于一个简化的观点：固体中的电子都被描述成一种特殊的、不与其他粒子相互作用的粒子——准粒;而在等效磁场中，由带电实体创造的叫离子和电子。这些准粒子被称作布洛赫电子，也是费米子。

正如电子是物质宇宙中的一种基本粒子，我们可以将布洛赫电子看作固体中的基本粒子。换言之，对它们自己的基本粒子来说，晶体本身就成了“宇宙”。

近年来，研究人员发现这种“物质宇宙”可以承载相对量子场论中的所有粒子，并在这种物质中发现了三种准粒子：狄拉克费米子、马约拉纳费米子和威尔费米子。尽管在长时间的实验中两种粒子还是不见踪影，但是这也为利用相对较低的费用在这些凝聚态晶体中进行小规模实验、模拟量子场理论的某些特定预测开拓了路径。

百奈威说：“如果一个人的想象力能够更进一步，就会想知道那些相对量子场理论尚不知晓的粒子是否可以出现在凝聚态的物体中。”按照这些研究人员的说法，有理由相信这是有可能的。

由量子场理论描述出来的宇宙是受到特定规则集和对称性（即洛伦兹对称）严格约束的，这是高能粒子的特征。然而洛伦兹对称并不适用于凝聚态物体，因为固体中典型电子的运转速度比光速慢很多，这就使凝聚态物体物理学成为低能理论。

索卢亚诺夫说：“可能会有人想，某些物质中的非相对基本粒子是否有可能不符合洛伦兹对称的原则。”

这项研究的成果给了这个问题一个肯定的答案。这项工作开始于2014年11月，当时索卢亚诺夫和戴希正在拜访普林斯顿大学的百奈威，他们的讨论转向了磁场中特定金属那些前所未有的、奇怪的运转状态（研究结论发表于《自然》杂志2014年第514期，201页至208页）。实验物理学家已经在一些物质中观察到了这种行为，但是还要做很多工作才能确定它的确是跟一种新型粒子联系在一起的。

研究人员发现，虽然相对论只允许存在一种威尔费米子，但是在凝聚态固体中，可能存在两种完全不同的威尔费米子。标准的I型费米子在零点能下有两种存在状态，这和电子只能高速地向上或者向下旋转相似。这种威尔费米子存在于相对场论中，也是在保持洛伦兹不变性的情况下唯一被允许存在的费米子。

新近预测出的Ⅱ型威尔费米子在零点能下有一个热力动力学数量的存在状态。它有费米面。它的费米面其实是外来的，在费米面中，它和触点一起出现在电子和电洞口袋之间，赋予Ⅱ型威尔费米子一种有限密度的状态，也就打破了洛伦兹对称性。

这项发现开启了许多新的方向。大多数正常金属处于磁场中时电阻率都会增大，这个已知的作用也被广泛应用于当代科技。普林斯顿大学和英国皇家物理学会北京分会的两组实验成果显示，如果电场和磁场作用于同一方向，电阻率其实可以减小。这种作用被称为负纵向磁电阻。包含Ⅱ型威尔费米子的物质有着混合的运行状态：若它和磁场方向相同，则和正常金属一样电阻率增大;若方向不同，则可以像在威尔半金属中一样电阻率减小。这也提供了许多潜在的应用于材料研发的可能。

研究人员称：“更引人入胜的是能在其他凝聚态系统中发现更多的基本粒子。还有什么别的粒子隐藏在这些‘物质宇宙中呢？其实，存在于物质中的那些令人意想不到的费米子才刚刚开始‘浮出水面呢！”

延伸阅读

恩利克·费米，美籍意大利著名物理学家，1938年诺贝尔物理学奖得主。费米领导一个研究小组在芝加哥大学建立了人类第一台可控核反应堆，人类从此迈入原子能时代。

费米在理论和实验方面都有第一流的建树，这在现代物理学家中是屈指可数的。100号化学元素镄、著名的费米实验室、芝加哥大学的费米研究院，以及原子核物理学中使用的费米单位都是为纪念他而命名的。费米人生的最后几年，主要从事高能物理研究。1949 年，他揭示了宇宙射线中原粒子的加速机制，研究了π介子、μ子和核子的相互作用，提出宇宙射线起源理论。19 52年，他发现了第一个强子共振——同位旋四重态。1949年，他与杨振宁合作，提出基本粒子的第一个复合模型。

费米面是指在绝对零度下，波矢空间（波矢是波的矢量表示方法。波矢是一个矢量，其大小表示波数，其方向表示波传播的方向。波矢有两种常见的定义，区别在于振幅因子是否乘以2π，分别用于物理学和晶体学以及它们的相关领域）中电子占据态与未占据态之间的分界面。根据量子力学理论，具有半奇数自旋量子数的费米子，如电子，遵循泡利不相容原理（一个量子态只能被一个粒子所占据），因此，费米子在能级中的分布遵循费米—狄拉克分布。一个由无相互作用的费米子组成的系统的基态模型可按照如下方法构造：从无粒子系统开始，将粒子逐个填入现存未被占据的最低能量的量子态，直到所有量子态全部填完。此时，系统的费米能就是占据最高分子轨道的能量，费米面则是波矢空间中费米能量构成的表面。实际上，晶体的能带结构十分复杂，相应的费米面形状也很复杂，最简单的情况是理想费米球的费米面。可用来测量金属费米面的实验技术有磁阻效应、回旋共振等。