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任何比絕對(duì)零度還要熱的東西，都可以發(fā)出輻射？

2019-09-25 15:50 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

萬(wàn)物皆有輻射，無(wú)論是一扇車(chē)門(mén)、一雙鞋還是一本書(shū)的封面，任何比絕對(duì)零度還要熱的東西都可以。幾乎所有的東西都在不斷地以光子的形式釋放輻射，光子是光的量子粒子。通常還存在一個(gè)雙過(guò)程——吸收。

當(dāng)光子帶走能量時(shí)，從環(huán)境中經(jīng)過(guò)的能量可以被吸收來(lái)補(bǔ)充能量。當(dāng)吸收和排放以相同的速度發(fā)生時(shí)，科學(xué)家說(shuō)一個(gè)物體與其環(huán)境處于平衡狀態(tài)，這通常意味著物體和環(huán)境具有相同的溫度。

失去平衡，新的行為就會(huì)出現(xiàn)，根據(jù)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的研究，JQI和密歇根州立大學(xué)科學(xué)家在一項(xiàng)新研究中指出，如果某些材料比周?chē)h(huán)境更熱，它們可能會(huì)經(jīng)歷自發(fā)的扭曲力。JQI的博士后研究員，密歇根州立大學(xué)的助理教授，該研究的第一作者M(jìn)ohammad Maghrebi說(shuō)：由于溫度與環(huán)境的不同，材料可能會(huì)感覺(jué)到扭矩，這是非常不尋常的。這種效應(yīng)還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中被觀(guān)察到，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)在一種叫做拓?fù)浣^緣體(TI)的材料薄帶中。

這種材料允許電流在表面流動(dòng)，但不能通過(guò)內(nèi)部，在這種情況下，研究人員對(duì)TI做了兩個(gè)額外的假設(shè)，一是它比周?chē)沫h(huán)境要熱。另一個(gè)原因是鈦有一些磁性雜質(zhì)，會(huì)影響其表面電子的行為。這些磁性雜質(zhì)與電子的量子特性(自旋)相互作用，自旋是電子基本特性的一部分，很像電荷，它描述了粒子的固有角動(dòng)量——物體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。光子也能攜帶角動(dòng)量。雖然電子在物理上不旋轉(zhuǎn)，但它們?nèi)匀豢梢垣@得和失去角動(dòng)量，盡管只是在離散的塊中。

每個(gè)電子都有兩個(gè)向上和向下的自旋值，而確磁性雜質(zhì)保其中一個(gè)電子的能量高于另一個(gè)。在有這些雜質(zhì)存在的情況下，電子可以通過(guò)發(fā)射或吸收攜帶適量能量和角動(dòng)量的光子，將自旋從上到下翻轉(zhuǎn)，反之亦然。Maghrebi和JQI研究員Jay Deep Sau，Alexey Gorshkov，證明了這種鈦的輻射帶有一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的角動(dòng)量，就像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的開(kāi)塞鉆一樣。當(dāng)材料被留下的角動(dòng)量的不足，導(dǎo)致它感覺(jué)到一個(gè)相反方向的扭矩(在這個(gè)例子中，逆時(shí)針?lè)较?。

這是發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的理想方法，因?yàn)樗鼈冊(cè)陔娮雍凸庵g起著正確的相互作用。它已經(jīng)把電子自旋和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量聯(lián)系起來(lái)了，而正是通過(guò)這種運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)中的電子才會(huì)吸收和發(fā)射光。如果在這種特殊TI表面上的一個(gè)電子開(kāi)始自旋向上，可以通過(guò)改變自旋從上到下并發(fā)射光子來(lái)釋放能量和角動(dòng)量。由于鈦比它周?chē)沫h(huán)境要熱，電子從上到下翻轉(zhuǎn)的頻率要比從下到上翻轉(zhuǎn)的頻率高。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度較低，缺乏能量來(lái)替代來(lái)自鈦的輻射。

這種不平衡結(jié)果是一個(gè)扭矩薄的TI樣品，由隨機(jī)發(fā)射的輻射驅(qū)動(dòng)，未來(lái)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)以?xún)煞N方式之一觀(guān)察到這種效果。最有可能的方法是間接的，電流通過(guò)TI并收集發(fā)出的光來(lái)加熱，通過(guò)測(cè)量輻射的平均角動(dòng)量，實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)這種不對(duì)稱(chēng)性，并證實(shí)新預(yù)測(cè)的一個(gè)結(jié)果。一個(gè)更直接，也可能更困難的觀(guān)察方法是通過(guò)尋找微小旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)際測(cè)量薄膜上的扭矩。