“量子球状闪电”其实是种“粒子”

张佳星

近日，新华社报道“量子球状闪电”被造出，极具科幻大片色彩，攫住不少眼球，被多家网站转载，然而研究却和闪电没有一点关系。其实，此次报道的发表于美国《科学进展》上的论文，既没有阐明出球状闪电的发生机理，也没有在量子世界里再现球状闪电，业内人士揶揄此篇报道中的球状闪电是“脑补的”。那么这篇论文究竟做了哪些研究？获得了哪些创造性进展呢？

没有“闪电”，主角是斯格明子

该论文原题为《在三维斯格明子中合成电磁节》，其中根本没有讨论闪电，“故事”的主角是一种被称为“斯格明子”的“粒子”。斯格明子远没有“上帝粒子”“天使粒子”那么“有名”，但同样也被科学家探求了几十年。“斯格明子并不是62种基本粒子之一，它是基于材料中的固有相互作用，形成的一种基本磁性单元。”清华大学副教授于浦解释。资料显示，英国物理学家托尼·斯格明于1962年首次预言这种粒子的存在。但直到2009年，德国物理学家缪保尔等才观测到磁性斯格明子存在的实验证据。

斯格明子的证实让信息社会为之一振。现代硬盘的磁性单元约为100纳米，斯格明子这一磁性单元在尺度上可以仅为几纳米，这将使得磁性存储的载体变得更小。在可以预见的未来，以斯格明子为单元的TB级别（万亿字节）的硬盘可能只有纽扣大小。

“在非常微弱的电流驱动下，它就能高效运动，这将使得斯格明子作为信息载体在存取信息时速度更快。”清华大学物理系助理教授江万军解释道。此外，在断电的情况下，信息也可以得到完整保存，因而斯格明子被认为是下一代高密度、高速度、低耗能、非易性的自旋存储器件中的优良信息载体，从而得到业界广泛关注。

我国科学家正在该领域进行深入探索，并取得了多个原创性成果。为了研究以斯格明子为单元的自旋存储以及逻辑器件，国家重点研发计划纳米专项支持了斯格明子的相关研究，江万军也参与其中。

获得更多斯格明子的新途径

在电子显微镜下，斯格明子宛如物质整体中的一个个“小蜂巢”，如何让这些“蜂巢”在材料体系中变得更多、更小，是目前探索新型自旋存储材料的关键问题之一。“当电子跑进斯格明子后，电子的运动方式就不一样了，倾向于跟着斯格明子运动。”江万军说。可以想象，斯格明子更像是一种“金钟罩”的概念。

过往对新材料体系的获取，多是通过各种方法对材料体系的整体进行调整，使其产生斯格明子。例如，通过打破界面反演对称性破缺，江万军等人首先证明了在重金属/铁磁体的磁性纳米材料中也可产生斯格明子。该材料体系中的磁性斯格明子在理论尺度上可以做到更小（3纳米左右），并能在室温下稳定存在。

“传统的固体里面，通过控制材料的内禀特性来控制电子自旋的状态，就可以制备出斯格明子”，于浦解释，而此次的研究却是通过操作原子状态来实现的。

“该研究通过电磁场操控，使得铷原子的排列形成了类似斯格明子的结构。同时也拥有了斯格明子的各种拓扑物理性质。”江万军说。

为了能够操作原子，这一研究把铷原子冷却到极低温度，从而形成玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），让原子失去个性，所有原子拥有相同的量子态，以便可以通过电磁场进行操控，从而形成三维形状的斯格明子自旋结构。

BEC+磁场开启时髦研究方向

“用原子的BEC态模拟凝聚态物理系统中的强关联行为最近变成了一个热门的研究方向。”于浦说，“凝聚态物理研究的是我们现实生活中的固体，固体内部非常复杂，存在各种粒子或准粒子，以及它们相互之间的强电磁作用，而科学家们现在可以利用单一状态的原子来模拟它们的相互作用。”这种研究手段，将为我们了解、重现固体中复杂的内部结构提供解决方案，其中原子的BEC特性会起到非常重要的作用。BEC是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态，这里的“凝聚”表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。

这样的状态加上变幻的电磁场，就可以用来模拟固体物质内部粒子的不同状态，进而将复杂问题简化，帮助科学家了解复杂固体内部的相互作用。江万军认为，“此次的实验结果更进一步，从二維拓展到三维体系”。利用空间变化的磁场，对微观世界达成可计算、可预测的操控，将为科学家提供更多的问题解决思路。